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JP5556363B2 - Vacuum gauge - Google Patents

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JP5556363B2
JP5556363B2 JP2010116562A JP2010116562A JP5556363B2 JP 5556363 B2 JP5556363 B2 JP 5556363B2 JP 2010116562 A JP2010116562 A JP 2010116562A JP 2010116562 A JP2010116562 A JP 2010116562A JP 5556363 B2 JP5556363 B2 JP 5556363B2
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範明 石河
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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計(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 gauge (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、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真空計(圧力センサ)も知られている(特許文献2参照)。
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計(真空センサ)も知られている(特許文献3参照)。
Conventionally, a vacuum gauge (pressure sensor) that measures a gas pressure from vibration characteristics of a vibrating body by vibrating the vibrating body in two directions is also known (see Patent Document 2).
Conventionally, a vacuum gauge (vacuum sensor) in which a measurable pressure range is expanded using a plurality of vibrating bodies having different areas is also known (see Patent Document 3).

特開昭62−137533号公報Japanese Patent Laid-Open No. 62-137533 特開平08−338776号号公報(図5,0059段落)Japanese Patent Laid-Open No. 08-338776 (paragraph in FIG. 5, 0059) 特開2008−093801号公報JP 2008-093401 A

(イ)振動体を利用した真空計における測定可能圧力範囲の制限:
振動体を利用した真空計において、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。そして、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。
(A) Limitation of measurable pressure range in vacuum gauge using vibrating body:
In a vacuum gauge using a vibrating body, 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. The Q value of the vibrating body is related to the gas pressure P, ω R is the resonance angular frequency [rad / s] of the vibrating body, m is the mass [kg] of the vibrating body, 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).

Figure 0005556363
Figure 0005556363

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計の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。
(ロ)上述の特許文献1〜3の真空計における問題点:
(a)特許文献1の真空計は、1つの音叉型振動子を形成する一対の平行平板状の振動体をその平板面に垂直な方向に振動させ、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ため、1台の真空計で測定可能な圧力範囲が狭いという問題が有る。
In addition, said Formula (1) is materialized when a vibrating body is a cantilever. 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 gauge 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.
(B) Problems in the vacuum gauges of Patent Documents 1 to 3 described above:
(A) The vacuum gauge of Patent Document 1 vibrates a pair of parallel flat plate-like vibrating bodies forming one tuning fork type vibrator in a direction perpendicular to the flat plate surface, and specifies the vacuum pressure of the atmosphere from the vibration characteristics. Therefore, there is a problem that the pressure range that can be measured with one vacuum gauge is narrow.

(b)特許文献2の真空計は、振動体を2方向に振動させることができるようにして、1台の真空計で測定可能な圧力範囲を広げているが、次のような問題が有る。
(b1)特許文献2の真空計では、測定する気体の圧力に応じて振動体の振動方向を切り替える構成を採用しているため、振動体の振動方向を切り替えるときに測定が不連続になる。
(B) Although the vacuum gauge of patent document 2 has expanded the pressure range which can be measured with one vacuum gauge so that a vibrating body can be vibrated in two directions, there exist the following problems. .
(B1) Since the vacuum gauge of Patent Document 2 employs a configuration in which the vibration direction of the vibrating body is switched according to the pressure of the gas to be measured, measurement is discontinuous when the vibration direction of the vibrating body is switched.

(b2)特許文献2の真空計では、振動体を2方向に振動させるための電極を別々に2つ有するとともに測定する気体の圧力に応じて振動体の振動方向を切り替える構成を採用しているため、回路構成が複雑になる。     (B2) The vacuum gauge of Patent Document 2 employs a configuration in which two electrodes for vibrating the vibrating body in two directions are separately provided and the vibration direction of the vibrating body is switched in accordance with the gas pressure to be measured. This complicates the circuit configuration.

(c)特許文献3の真空計は、面積が異なる複数の振動体を利用して1台の真空計で測定可能な圧力範囲を広げているが、次のような問題が有る。
(c1)特許文献3の真空計では、測定する気体の圧力に応じて使用する振動体を選択する構成を採用しているため、使用する振動体を切り替えるときに測定が不連続になる。
(C) Although the vacuum gauge of patent document 3 has expanded the pressure range which can be measured with one vacuum gauge using the several vibrating body from which an area differs, there exist the following problems.
(C1) Since the vacuum gauge of Patent Document 3 employs a configuration in which a vibrating body to be used is selected according to the pressure of the gas to be measured, measurement is discontinuous when the vibrating body to be used is switched.

(c2)特許文献3の真空計では、測定する気体の圧力に応じて使用する振動体を選択する構成を採用しているため、回路構成が複雑になる。
(c3)特許文献3の真空計では、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。この点をさらに説明する。
(C2) In the vacuum gauge of patent document 3, since the structure which selects the vibrating body to be used according to the pressure of the gas to measure is employ | adopted, a circuit structure becomes complicated.
(C3) In the vacuum gauge of patent document 3, since the mass of the vibrating body is increased by increasing the area, the effect of increasing the area is offset. This point will be further described.

図31は上記特許文献3に示された真空計の構成例に倣って設計された真空計の設計値の一例(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32は図31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32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。
(ハ)上記した課題を解決するため、本発明は、1つの真空計で測定が不連続になること無く,広い範囲の気体の圧力を測定できるとともに、回路構成が簡素化された真空計を提供することを目的とする。
FIG. 31 shows an example of design values of the vacuum gauge designed in accordance with the configuration example of the vacuum gauge shown in Patent Document 3 (the area ratio of the vibrating body in design I and design II is 4: 1). 32 is a diagram showing the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrating body at the design values shown in FIG. As shown in FIG. 32, 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.
(C) In order to solve the above-described problems, the present invention provides a vacuum gauge that can measure the pressure of a wide range of gas without making the measurement discontinuous with a single vacuum gauge and has a simplified circuit configuration. The purpose is to provide.

上記課題を解決するために、本発明の真空計は、共振状態に保持された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複数設け、前記各圧力測定部により共通の雰囲気の圧力を測定する真空計において、各圧力測定部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,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成し、前記真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部を設けたことを特徴とする(請求項1の発明)。 In order to solve the above problems, the vacuum gauge of the present invention is provided with a plurality of pressure measuring units that measure the atmospheric pressure from the vibration characteristics of the vibrating body held in a resonance state, and the pressure measuring units have a common atmosphere. In a vacuum gauge for measuring pressure, the pressure ranges that can be measured by each pressure measuring unit are made different, and the pressure ranges are partially overlapped, and the entire pressure measurement range of the vacuum gauge in, addition the output signal of the pressure measuring unit for the same atmosphere, multiplication or division operations to be characterized in that a calculation unit for calculating a pressure measurement signal (the invention of claim 1).

上記請求項1の発明によれば、共通の雰囲気の圧力を測定する圧力測定部を複数設け、各圧力測定部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,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成したことにより、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, a plurality of pressure measuring units for measuring the pressure of a common atmosphere are provided, the pressure ranges that can be measured by each pressure measuring unit are made different, and a part of the pressure range is provided. By being configured to overlap, the pressure of a wider range of gas can be measured with one vacuum gauge.

また、上記請求項1の発明によれば、真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算し圧力測定信号を算出することにより、1つの真空計で測定が不連続となること無く、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 invention of the first aspect, in the entire region of the pressure measurement range of the gauge, it adds the output signal of the pressure measuring unit for the same atmosphere, calculating the pressure measurement signal by multiplying or division operations As a result, the pressure of a wide range of gases can be measured without making the measurement discontinuous with one vacuum gauge.

また、上記請求項1の発明によれば、各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部だけを備えればよく、測定する気体の圧力に応じて圧力測定部を選択するための構成は不要となるので、真空計の回路構成がより簡素化されたものになる。 According to the invention of the first aspect, it adds the output signal of the pressure measurement section may be Sonaere the only the calculator multiplication or division operation to calculate the pressure measurement signal, the pressure of the gas to be measured Accordingly, the configuration for selecting the pressure measuring unit is not necessary, and the circuit configuration of the vacuum gauge is further simplified.

記請求項1に記載の真空計において、前記演算部による演算値と圧力値との関係の特性データに基づいて、前記演算部にて算出された圧力測定信号を圧力値変換し、圧力値として出力する圧力変換部を有する構成とする(請求項)。 In vacuum gauge described above Symbol claim 1, based on the characteristic data of the relationship between the arithmetic value and the pressure value that by the prior SL calculating section, a pressure measurement signal calculated by said calculation unit to a pressure value conversion, a configuration in which closed the pressure conversion section for outputting as a pressure value (claim 2).

上記請求項の発明によれば、上記圧力変換部により得られた圧力値に基づく信号を出力信号とすることにより、各圧力測定部により測定することができる圧力範囲同士がオーバーラップする圧力領域の近傍での非線形性などを補正し、真空計の圧力測定範囲の全領域にわたって一様な線形性を備えた圧力測定信号を得ることができる。 According to the invention described in claim 2, by the output signal a signal based on the pressure value obtained by the pressure converter unit, pressure pressure range between overlap that can be measured by the pressure measuring section It is possible to correct a non-linearity in the vicinity of the region and obtain a pressure measurement signal having a uniform linearity over the entire region of the pressure measurement range of the vacuum gauge.

上記請求項に記載の真空計において、前記圧力変換部は、前記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、実測定時における組合せ演算値から圧力値への変換を行う構成とする(請求項)。 3. The vacuum gauge according to claim 2 , wherein the pressure conversion unit performs conversion from a combination calculation value to a pressure value at the time of actual measurement by a conversion unit including a storage unit storing a data table of the characteristic data. (Claim 3 ).

上記請求項に記載の真空計において、前記圧力変換部は、前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、実測定時における組合せ演算値から圧力値への変換を行う構成とする(請求項)。 3. The vacuum gauge according to claim 2 , wherein the pressure conversion unit uses a conversion unit including a storage unit that stores a relational expression approximately obtained from the curve of the characteristic data, from a combination calculation value at the time of actual measurement. It is set as the structure which converts into a pressure value (Claim 4 ).

上記請求項1ないしのいずれか1項に記載の真空計において、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るとともに、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,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成し、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、前記真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部を設けた構成とする(請求項の発明)。 The vacuum gauge as claimed in any one of the above claims 1 to 4, the drive to generate a vibrating body, a vibrating electrode portion driven by electrostatic force vibration member, a driving signal for vibrating the vibrator A pressure generation unit that measures the pressure of the atmosphere from the vibration characteristics of the vibration body by holding the vibration body in a resonance state by applying the drive signal to the excitation electrode unit. A plurality of the vibrators in a common atmosphere in the vacuum gauge, different pressure ranges that can be measured by the vibrators, and a part of the pressure range. constructed by overlapping the corresponding to each vibrator provided a plurality of the pressure measurement section, the entire area of the pressure measurement range of the gauge, adds the output signal of the pressure measuring unit for the same atmosphere, Multiplication or division Operation to a structure in which a calculation unit for calculating a pressure measurement signal (the invention of claim 5).

上記請求項の発明によれば、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,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成したことにより、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 fifth aspect of the present invention, a plurality of vibrators having different pressure ranges that can be measured in a common atmosphere in a vacuum gauge are provided, and the pressure ranges are partially overlapped. A single vacuum gauge can measure a wider range of gas pressures.

また、上記請求項の発明によれば、複数個の振動体を同時に振動させた状態で、真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算し圧力測定信号を算出することにより、1つの真空計で測定が不連続となること無く、広い範囲の気体の圧力を測定できるようになる。 According to the fifth aspect of the present invention, the output signals of the respective pressure measurement units for the same atmosphere are added and multiplied in the entire range of the pressure measurement range of the vacuum gauge in a state where a plurality of vibrators are vibrated simultaneously. or by division operation to calculate the pressure measurement signal, without the measurement at one of the gauge becomes discontinuous, it becomes possible to measure the pressure in the broad range of gases.

また、上記請求項の発明によれば、各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部だけを備えればよく、測定する気体の圧力に応じて使用する振動体を選択するための構成は不要となるので、真空計の回路構成がより簡素化されたものになる。 According to the invention of the claim 5, adds the output signal of the pressure measurement section may be Sonaere the only the calculator multiplication or division operation to calculate the pressure measurement signal, the pressure of the gas to be measured Accordingly, the configuration for selecting the vibrating body to be used is not necessary, so that the circuit configuration of the vacuum gauge is further simplified.

上記請求項に記載の真空計において、前記各振動体は、厚さ、梁の長さ、材質もしくは面積の少なくとも1つが異なることにより測定できる圧力範囲が異なる構成とする(請求項の発明)。 In the vacuum gauge according to claim 5 , each of the vibrators has a configuration in which a pressure range that can be measured varies depending on at least one of a thickness, a length of a beam, a material, or an area (the invention of claim 6 ). ).

上記請求項またはに記載の真空計において、前記圧力測定部は、前記振動体の振動を検出する振動検出部を有するものであり、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構成とする(請求項の発明)
上記請求項に記載の真空計において、前記圧力測定部は、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を備えるとともに、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、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構成とする(請求項の発明)。
The vacuum gauge according to claim 5 or 6 , wherein the pressure measurement unit includes a vibration detection unit that detects vibration of the vibrating body, and the drive signal generation unit is a detection signal of the vibration detection unit. The drive signal for exciting the vibrating body is generated by changing the phase of the detection signal and amplifying the detection signal (invention of claim 7 ) .
The vacuum gauge according to claim 7 , wherein the pressure measurement unit includes a vibration electrode unit including a pair of vibration electrodes disposed along the vibration direction on both sides of the vibration body, and includes a vibration detection unit. A vibration detection unit comprising: a phase shift circuit that changes the phase of the detection signal; an amplifier that amplifies the output signal of the phase shift circuit; and an inversion circuit that inverts the phase of the output signal of the amplifier. 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 having opposite phases based on the detection signals of 8 invention).

上記請求項1ないしのいずれか1項に記載の真空計において、第1の振動方向と該第1の振動方向に直交する第2の振動方向とに振動することができるように形成された振動体と、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真空計であって、前記加振電極部として、前記振動体を第1および第2の振動方向にそれぞれ振動させるための第1および第2の加振電極部を備え、前記振動検出部として、前記振動体の第1および第2の振動方向の振動をそれぞれ検出する第1および第2の振動検出部を備え、第1の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第1の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第1の振動方向に振動させて圧力を測定する第1の圧力測定部と、第2の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第2の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第2の振動方向に振動させて圧力を測定する第2の圧力測定部とを備え、前記第1および第2の圧力測定部により前記振動体を第1および第2の振動方向に同時に振動させて各振動方向での各圧力測定を同時に行うようにし、前記第1および第2の圧力測定部により測定することができる圧力範囲を異ならせ,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成し、前記真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する前記第1および第2の圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部を設けた構成とする(請求項の発明)。 The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 4 , wherein the vacuum gauge is configured to vibrate in a first vibration direction and a second vibration direction orthogonal to the first vibration direction. Based on the vibration body, the excitation electrode section that drives the vibration body by electrostatic force, the vibration detection section that detects the vibration of the vibration body, and the detection signal of the vibration detection section, the phase of the detection signal is changed. A drive signal generation unit that generates a drive signal for exciting the vibrating body by amplification, applying the drive signal to the excitation electrode unit to hold the vibrating body in a resonance state, A vacuum gauge that measures the pressure of the atmosphere from the vibration characteristics of a vibrating body, wherein the vibrating electrode section includes first and second applied forces for vibrating the vibrating body in first and second vibration directions, respectively. A vibration electrode unit, and as the vibration detection unit, the vibration The first and second vibration detectors detect vibrations in the first and second vibration directions, respectively, and apply a drive signal based on the detection signal of the first vibration detector to the first excitation electrode unit. By doing so, a first pressure measuring unit that measures the pressure by vibrating the vibrating body in the first vibration direction, and a drive signal based on the detection signal of the second vibration detecting unit is sent to the second excitation electrode unit. And a second pressure measuring unit that measures the pressure by vibrating the vibrating body in a second vibration direction, and the first and second pressure measuring units cause the vibrating body to be first. And simultaneously oscillating in the second vibration direction to simultaneously measure each pressure in each vibration direction, different pressure ranges that can be measured by the first and second pressure measuring units, and and configure part by overlapping the pressure range, prior In the entire region of the pressure measurement range of the gauge, adds the output signals of said first and second pressure measuring unit for the same atmosphere, configuration and provided with a calculation unit for calculating a pressure measurement signal by multiplying or division operations (Invention of claim 9 )

上記請求項の発明によれば、振動体を測定可能な圧力範囲が異なる第1および第2の振動方向の両方で振動させて圧力を測定するとともに、前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成したことにより、1つの真空計で測定可能な圧力範囲を広げることが可能である。 According to the ninth aspect of the present invention, the vibration body is vibrated in both the first and second vibration directions having different measurable pressure ranges, and the pressure is measured, and the pressure ranges are partially overlapped. By comprising, it is possible to extend the pressure range measurable with one vacuum gauge.

また、上記請求項の発明によれば、振動体を第1および第2の振動方向に同時に振動させて各振動方向での各圧力測定を同時に行うことにより、気体の圧力によって振動方向を切り替える場合におけるような切り替えの際の測定不能な時間の発生を無くすことが可能となり、広範囲の圧力を連続的に測定することができるようになる。 According to the ninth aspect of the present invention, the vibration body is vibrated simultaneously in the first and second vibration directions, and each pressure measurement in each vibration direction is performed simultaneously, whereby the vibration direction is switched depending on the gas pressure. As a result, it is possible to eliminate the generation of unmeasurable time during switching, and it is possible to continuously measure a wide range of pressures.

また、上記請求項の発明によれば、振動体の振動方向を切り替える回路が必要ないため、回路を簡略化することが可能である。
また、上記請求項の発明によれば、第1および第2の圧力測定部により振動体を第1および第2の振動方向に同時に振動させて各振動方向での各圧力測定を同時に行なっている状態で、前記真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算し圧力測定信号を算出することにより、1つの真空計で測定が不連続となること無く、広い範囲の気体の圧力を測定できるようになる。
According to the ninth aspect of the present invention, since a circuit for switching the vibration direction of the vibrating body is not required, the circuit can be simplified.
According to the ninth aspect of the present invention, the vibrating body is vibrated simultaneously in the first and second vibration directions by the first and second pressure measuring units, and each pressure measurement in each vibration direction is performed simultaneously. in a state in which there, in the entire region of the pressure measurement range of the gauge, the output signal of the pressure measuring unit for the same atmosphere addition, by multiplication or division operation to calculate the pressure measurement signal, one at a vacuum gauge It becomes possible to measure a wide range of gas pressures without making the measurement discontinuous.

また、上記請求項の発明によれば、各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部だけを備えればよく、測定する気体の圧力に応じて圧力測定部を選択するための構成は不要となるので、真空計の回路構成がより簡素化されたものになる。 According to the invention of the claim 9, adds the output signal of the pressure measurement section may be Sonaere the only the calculator multiplication or division operation to calculate the pressure measurement signal, the pressure of the gas to be measured Accordingly, the configuration for selecting the pressure measuring unit is not necessary, and the circuit configuration of the vacuum gauge is further simplified.

上記請求項に記載の真空計において、前記第1の加振電極部として、前記振動体の両側に第1の振動方向に沿って設置された第1および第2の加振電極から成る1組の加振電極を備えるとともに、前記第2の加振電極部として、前記振動体の両側に第2の振動方向に沿って設置された第3および第4の加振電極から成る1組の加振電極を備え、前記駆動信号生成部は、前記第1および第2の振動検出部の各検出信号の位相をそれぞれ変化させる第1および第2の位相シフト回路と、該第1および第2の位相シフト回路の各出力信号をそれぞれ増幅する第1および第2の増幅器と、該第1および第2の増幅器の各出力信号の位相をそれぞれ反転させる第1および第2の反転回路と、を有し、第1の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第1の反転回路および前記第1の増幅器の各出力信号を前記第1および第2の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第1の振動方向における共振状態を保持するとともに、第2の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第2の反転回路および前記第2の増幅器の各出力信号を前記第3および第4の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第2の振動方向における共振状態を保持する構成とする(請求項10の発明)。 10. The vacuum gauge according to claim 9 , wherein the first excitation electrode unit is composed of first and second excitation electrodes disposed along both sides of the vibrating body along a first vibration direction. A set of excitation electrodes, and the second excitation electrode section includes a set of third and fourth excitation electrodes disposed along the second vibration direction on both sides of the vibrating body. The drive signal generation unit includes first and second phase shift circuits that change the phases of the detection signals of the first and second vibration detection units, and the first and second phase shift circuits. First and second amplifiers for amplifying the respective output signals of the phase shift circuit, and first and second inversion circuits for inverting the phases of the output signals of the first and second amplifiers, respectively. Having a negative phase drive signal based on the detection signal of the first vibration detector By applying the output signals of the first inverting circuit and the first amplifier to the first and second excitation electrodes, respectively, the resonance state of the vibrating body in the first vibration direction is maintained. In addition, the output signals of the second inverting circuit and the second amplifier are supplied to the third and fourth excitation electrodes, respectively, as drive signals of opposite phase based on the detection signal of the second vibration detection unit. By applying, the resonance state in the second vibration direction of the vibrating body is maintained (invention of claim 10 ).

上記請求項ないし10のいずれか1項に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、前記駆動信号の電圧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、前記振動検出部の検出信号の大きさに基づいて圧力を測定する構成とする(請求項11の発明)。 The vacuum gauge as claimed in any one of the above claims 7 to 10, wherein the drive signal generating unit, as the voltage of the drive signal is constant, the signal for changing the phase of the detection signal of the vibration detection unit The pressure measurement unit is configured to measure the pressure based on the magnitude of the detection signal of the vibration detection unit (invention of claim 11 ).

上記請求項ないし10のいずれか1項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構成とする(請求項12の発明)。 The vacuum gauge according to any one of claims 7 to 10 , wherein the drive signal generation unit detects the detection signal of the vibration detection unit such that the magnitude of the detection signal of the vibration detection unit is constant. The gain of amplification with respect to a signal whose phase is changed is adjusted, and the pressure measurement unit measures pressure based on the voltage of the drive signal (invention of claim 12 ).

上記請求項いし12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構成とする(請求項13の発明)。 The vacuum gauge according to any one of claims 7 to 12 , 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 is applied to the excitation electrode unit (invention of claim 13 ).

上記請求項ないし13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構成とする(請求項14の発明)。
The vacuum gauge according to any one of claims 7 to 13 , wherein the vibration detecting unit detects vibration of the vibrating body by detecting a capacitance between the vibrating body and a detection electrode. It is set as the thing (invention of Claim 14 ).

本発明によれば、1つの真空計で測定が不連続になること無く,広い範囲の気体の圧力を測定できるとともに、回路構成が簡素化された真空計を提供することができるようになる。   According to the present invention, it is possible to provide a vacuum gauge that can measure a wide range of gas pressures without making measurement discontinuous with a single vacuum gauge and whose circuit configuration is simplified.

本発明の第1実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the structure which comprises the mechanism part of the vacuum gauge which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1に示す構造体の側面図である。It is a side view of the structure shown in FIG. 本発明の第1実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the design value of the vibrating body which concerns on 1st Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the relationship between Q value in the design value of the vibrating body shown in FIG. 3, and the pressure P of gas. 本発明の第1実施形態に係る真空計の回路構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structural example of the vacuum gauge which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る振動体の設計値の異なる一例を示す図である。It is a figure which shows an example from which the design value of the vibrating body which concerns on 1st Embodiment of this invention differs. 図6に示した設計値の振動体において駆動電圧が一定となるように増幅器ゲインを調整した場合の振動体の振幅と気体の圧力Pとの関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between the amplitude of the vibrating body and the gas pressure P when the amplifier gain is adjusted so that the drive voltage is constant in the vibrating body having the design value shown in FIG. 6. 図6に示した設計値の振動体において振動体の振幅が一定となるように増幅器ゲインを調整した場合の駆動電圧と気体の圧力Pとの関係を示す図である。7 is a diagram illustrating a relationship between a driving voltage and a gas pressure P when an amplifier gain is adjusted so that the amplitude of the vibrating body is constant in the vibrating body having the design value illustrated in FIG. 6. FIG. 本発明の第1実施形態における振動体の振幅と雰囲気の圧力との関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship between the amplitude of a vibrating body and atmospheric pressure in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における容量電圧変換回路の出力電圧と雰囲気の圧力との関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship between the output voltage of the capacity voltage conversion circuit in 1st Embodiment of this invention, and the pressure of atmosphere. 本発明の実施例1における(加算器からなる)演算部の出力値と雰囲気の圧力との関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship between the output value of the calculating part (consisting of an adder) in Example 1 of this invention, and the pressure of an atmosphere. 本発明の実施例2における(乗算器からなる)演算部の出力値と雰囲気の圧力との関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship between the output value of the calculating part (consisting of a multiplier) in Example 2 of this invention, and the pressure of an atmosphere. 本発明の実施例3における(除算器からなる)演算部の出力値と雰囲気の圧力との関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship between the output value of the calculating part (consisting of a divider) in Example 3 of this invention, and the pressure of an atmosphere. 本発明の第1実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の異なる構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of a different structure of the structure which comprises the mechanism part of the vacuum gauge which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図14に示す構造体の側面図である。It is a side view of the structure shown in FIG. 本発明の第1実施形態に係る真空計の異なる回路構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example of a different circuit structure of the vacuum gauge which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る真空計のさらに異なる回路構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the further different circuit structural example of the vacuum gauge which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る振動体の設計値のさらに異なる例を示す図である。It is a figure which shows the further different example of the design value of the vibrating body which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図18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値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the gas pressure P in the specific example 1 of the design value of the vibrating body shown in FIG. 18, and the Q value of a vibrating body. 図18に示した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値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of a vibrating body in the specific example 2 of the design value of the vibrating body shown in FIG. 図18に示した振動体の設計値の具体例3における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the gas pressure P in the specific example 3 of the design value of the vibrating body shown in FIG. 18, and the Q value of a vibrating body. 図18に示した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値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the gas pressure P in the specific example 4 of the design value of the vibrating body shown in FIG. 18, and the Q value of a vibrating body. 図18に示した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値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of a vibrating body in the specific example 5 of the design value of the vibrating body shown in FIG. 本発明の第2実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the structure which comprises the mechanism part of the vacuum gauge which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図24に示す構造体の側面図であるIt is a side view of the structure shown in FIG. 本発明の第2実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the design value of the vibrating body which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図26に示した振動体の設計値における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the gas pressure P in the design value of the vibrating body shown in FIG. 26, and the Q value of a vibrating body. 本発明の第2実施形態に係る真空計の回路構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structural example of the vacuum gauge which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図26に示した設計値の振動体の第1の振動方向において駆動電圧が一定となるように増幅ゲインを調整した場合の振動体の振幅と気体の圧力Pとの関係を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing the relationship between the amplitude of the vibrating body and the gas pressure P when the amplification gain is adjusted so that the drive voltage is constant in the first vibration direction of the vibrating body having the design value shown in FIG. 26. 図26に示した設計値の振動体の第1の振動方向において振動体の振幅が一定となるように増幅ゲインを調整した場合の駆動電圧と気体の圧力Pとの関係を示す図である。FIG. 27 is a diagram illustrating a relationship between a driving voltage and a gas pressure P when the amplification gain is adjusted so that the amplitude of the vibrating body is constant in the first vibration direction of the vibrating body having the design value illustrated in FIG. 26. 特許文献3に示された真空計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を示す図である。It is a figure which shows an example of the design value of the vacuum sensor designed according to the structural example of the vacuum gauge shown by patent document 3. FIG. 図31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。It is a figure which shows the relationship between the gas pressure P in the design value shown in FIG. 31, and the Q value of a vibrating body.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係る真空計は、測定可能圧力範囲が異なるとともに一部オーバーラップしてなる複数の振動体を常時振動させ、各振動体に対応する各圧力測定部の出力信号同士を演算部で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニットの出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成を基本としたものである。
(イ)真空計の機構部分を成す構造体の構成:
図1は、本発明の第1実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の構成例を示す平面図であり、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。
(ロ)振動体の形状、振動体のQ値および気体の圧力Pとの関係:
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. About the same component, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, In the range which does not change the summary, it can implement suitably.
[First Embodiment]
The vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention constantly vibrates a plurality of vibrating bodies that have different measurable pressure ranges and partially overlap each other, and output signals of each pressure measuring unit corresponding to each vibrating body Is calculated based on the combination calculation value, and the output signal of the calculation processing unit based on the combination calculation value is used as the pressure measurement signal of the vacuum gauge.
(B) Structure of the structure that forms the mechanism of the vacuum gauge:
FIG. 1 is a plan view showing a configuration example of a structure that forms a mechanism part of a vacuum gauge according to the first 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.
(B) Relationship between the shape of the vibrating body, the Q value of the vibrating body and the gas pressure P:
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との関係については、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4のQ値を以下の式(2)のように、 The relationship between the pressure P of the Q value and gas of the vibrating member 4, the natural frequency of the vibration member 4 to f r, the weight of the mass m, the area which receives the resistance force of the gas to S, the gas and R constant, the T If the temperature and M are masses per 1 mol of gas molecules, the Q value of the vibrating body 4 is expressed by the following equation (2):

Figure 0005556363
Figure 0005556363

と表すことができる。なお、上記式(2)は、f=ω/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。
(ハ)振動体の設計値の一例:
図3は、本発明の第1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(測定可能圧力範囲)は約0.1Paから約100Pa(図4の「設計(a)の評価範囲」)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(測定可能圧力範囲)は約3Paから約3000Pa(図4の「設計(b)の評価範囲」)である。そして、図4における「約3Paから約100Paまで」の圧力領域が、設計(a)の振動体の測定可能範囲と設計(b)の振動体の測定可能範囲とがオーバーラップするオーバーラップ圧力領域となっている。
It can be expressed as. Note that the above expression (2) has substantially the same content as the above-described expression (1) because it has a relationship of f r = ω R / 2π.
(C) Examples of design values of the vibrator:
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the design value of the vibrating body according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 illustrates the relationship between the Q value and the gas pressure P in the design value of the vibrating body illustrated in FIG. It is a figure which shows a relationship. 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 (measurable pressure range) that can be measured in the case of design (a) is about 0.1 Pa to about 100 Pa (“evaluation range of design (a)” in FIG. 4). In addition, the gas pressure (measurable pressure range) that can be measured in the case of the design (b) is about 3 Pa to about 3000 Pa (“evaluation range of the design (b)” in FIG. 4). The pressure region of “about 3 Pa to about 100 Pa” in FIG. 4 is an overlap pressure region where the measurable range of the vibrating body of design (a) and the measurable range of the vibrating body of design (b) overlap. It has become.

このように、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(測定可能圧力範囲)を任意に設計することができるとともに、オーバーラップ圧力領域も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。
(ニ)真空計の回路構成:
次に、本発明の第1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実施形態に係る真空計の回路構成例を示すブロック図であり、1つの真空計内に2つの振動体を含む構成であるため、図を上下に分けて示している。
Thus, the gas pressure range (measurable pressure range) that can be measured according to the shape of the vibrating body can be arbitrarily designed, and the overlap pressure region can also 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.
(D) Circuit configuration of vacuum gauge:
Next, the circuit configuration of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a block diagram showing an example of a circuit configuration of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention. Since the configuration includes two vibrating bodies in one vacuum gauge, the figure is divided into upper and lower parts. ing.

図5の回路構成例は、図1〜2に示した構成例の構造体に対応したものであり、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VA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VB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から出力された各信号VAおよびVB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駆動信号切替用スイッチ回路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、容量電圧変換回路33および34の各出力信号VAおよびVBを演算部91により組合せて演算し,その組合せ演算値(演算信号VPO)を圧力変換部92により圧力値に変換して真空計の圧力測定信号VPとして出力する演算処理ユニット93からなる。 The circuit configuration example of FIG. 5 corresponds to the structure of the configuration example shown in FIGS. 1-2, and includes a vibrating body 24, a weight 25, a beam 26, and a weight 21, a beam 22, and a vibrating body fixing portion 23. The vibration body 28 composed of the vibration body fixing portion 27, the excitation electrodes 29 and 30, the vibration detection electrodes 31 and 32 for detecting the vibration of the vibration bodies 24 and 28, and the capacitance between the weight 21 and the vibration detection electrode 31 Capacitance-voltage conversion circuit 33 that outputs voltage V A according to change, capacitance-voltage conversion circuit 34 that outputs voltage V B according to change in capacitance between weight 25 and vibration detection electrode 32, capacitance-voltage conversion Phase shift circuits 35 and 36 for changing the phases of the signals V A and V B output from the circuits 33 and 34, amplifiers 37 and 38 for amplifying the outputs of the phase shift circuits 35 and 36, and amplitudes of the vibrators 24 and 28 Switch circuit 39 and 40 for switching the drive signal, and the initial excitation signal for the vibrators 24 and 28. Sources 41 and 42, combined by calculating the arithmetic unit 91 the output signals V A and V B of the capacitance-voltage conversion circuit 33 and 34, the combination calculation value (operation signal V PO) to a pressure value by the pressure converting unit 92 It comprises an arithmetic processing unit 93 that converts and outputs the pressure measurement signal V P of the vacuum gauge.

なお、図5に示されるように、振動体24、加振電極29、振動検出電極31、容量電圧変換回路33、位相シフト回路35、増幅器37、駆動信号切替用スイッチ回路39、初期加振用信号源41により圧力測定部81Aが構成されており、容量電圧変換回路33の出力信号VAが圧力測定部81Aとしての出力信号となっている。また、振動体28、加振電極30、振動検出電極32、容量電圧変換回路34、位相シフト回路36、増幅器38、駆動信号切替用スイッチ回路40、初期加振用信号源42により圧力測定部81Bが構成されており、容量電圧変換回路34の出力信号VBが圧力測定部81Bとしての出力信号となっている。 As shown in FIG. 5, the vibrator 24, the excitation electrode 29, the vibration detection electrode 31, the capacitance voltage conversion circuit 33, the phase shift circuit 35, the amplifier 37, the drive signal switching circuit 39, and the initial excitation A pressure measurement unit 81A is configured by the signal source 41, and an output signal V A of the capacitance-voltage conversion circuit 33 is an output signal as the pressure measurement unit 81A. In addition, the pressure measuring unit 81B includes the vibrating body 28, the excitation electrode 30, the vibration detection electrode 32, the capacitance voltage conversion circuit 34, the phase shift circuit 36, the amplifier 38, the drive signal switching switch circuit 40, and the initial excitation signal source 42. There is constituted, the output signal V B of the capacitance-voltage conversion circuit 34 is an output signal of the pressure measurement section 81B.

また、演算処理ユニット93の演算部91による上記の組合せ演算は、常時各振動体24,28を振動させ各圧力測定部81A,81Bを動作させている状態で、真空計の圧力測定範囲の全領域において行われるものである。なお、演算部91として、より具体的には例えは後述の実施例1〜3で説明する、加算器からなる演算部91a、乗算器からなる演算部91m、除算器からなる演算部91dなどを適用することができる。   In addition, the above-described combination calculation by the calculation unit 91 of the calculation processing unit 93 is performed in a state where the vibration measuring bodies 24 and 28 are constantly vibrated and the pressure measurement units 81A and 81B are operated. Is done in the region. More specifically, as the calculation unit 91, for example, a calculation unit 91a composed of an adder, a calculation unit 91m composed of a multiplier, a calculation unit 91d composed of a divider, and the like described in the first to third embodiments will be described. Can be applied.

また、演算処理ユニット93の圧力変換部92は、演算部91による組合せ演算値(演算信号VPO)と圧力値との関係の特性データに基づいて,実測定時における組合せ演算値(演算信号VPO)から圧力値への変換を行なうものである。 The pressure converter 92 of the processing unit 93, based on the characteristic data of the relationship between the combination calculated value (the calculation signal V PO) and the pressure value by the calculation unit 91, the combination calculated value in a time of actual measurement (calculation signal V PO ) To a pressure value.

なお、図5では、演算処理ユニット93において演算部91の出力側に圧力変換部92を備え、この圧力変換部92により得られた圧力値に基づく信号を真空計の圧力測定信号VPとして出力する構成を示しているが、本発明は上記構成に限定されるものではない。すなわち、本発明では、基本的には、低圧領域用圧力測定部の測定可能圧力範囲の下限側から高圧領域用圧力測定部の測定可能圧力範囲の上限側にわたる広い圧力範囲(真空計の圧力測定範囲の全範囲)において、圧力に応じて連続的に変化するとともに圧力に対し1対1の関係をもつ測定信号が得られ、この測定信号に基づき雰囲気の圧力を広い圧力範囲(真空計の圧力測定範囲の全範囲)にわたって連続的に測定することができればよい。このため、本発明では、真空計の圧力測定信号として求められる信号形態などにもよるが、例えば演算処理ユニット93において圧力変換部92は備えず、演算部91からの演算信号VPOを真空計の圧力測定信号として出力する構成とすることもできる。
(ホ)真空計における圧力測定部の動作:
(a)次に、本発明の第1実施形態に係る真空計における各圧力測定部の動作を図5の回路構成例について説明する。図5において、振動体24および28を初期加振する場合、駆動信号切替用スイッチ回路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駆動信号切替用スイッチ回路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、駆動信号切替用スイッチ回路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VA,VB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駆動信号切替用スイッチ回路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。
In FIG. 5, the arithmetic processing unit 93 includes a pressure conversion unit 92 on the output side of the calculation unit 91, and a signal based on the pressure value obtained by the pressure conversion unit 92 is output as a pressure measurement signal V P of the vacuum gauge. However, the present invention is not limited to the above configuration. That is, in the present invention, basically, a wide pressure range from the lower limit side of the measurable pressure range of the low pressure region pressure measurement unit to the upper limit side of the measurable pressure range of the high pressure region pressure measurement unit (pressure measurement of the vacuum gauge). In the entire range), a measurement signal that changes continuously according to the pressure and has a one-to-one relationship with the pressure is obtained, and based on this measurement signal, the atmospheric pressure can be set within a wide pressure range (vacuum pressure range). It suffices if measurement can be continuously performed over the entire measurement range. For this reason, in the present invention, depending on the signal form required as the pressure measurement signal of the vacuum gauge, for example, the arithmetic processing unit 93 does not include the pressure conversion unit 92, and the calculation signal VPO from the calculation unit 91 is used as the vacuum gauge. It can also be configured to output as a pressure measurement signal.
(E) Operation of pressure measurement unit in vacuum gauge:
(A) Next, the operation of each pressure measuring unit in the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the circuit configuration example of FIG. In FIG. 5, when the vibrating bodies 24 and 28 are initially excited, the drive signal switching switch circuits 39 and 40 are connected to A and B, and D and E, respectively. A signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the vibrating bodies 24 and 28 output from 41 and 42 is applied to the vibrating 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, and after the vibrating bodies 24 and 28 start to vibrate, the drive signal switching switch circuits 39 and 40 are switched, and A, C, D, respectively. F is connected. 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. The drive signal switching circuits 39 and 40 operate so as to switch connections according to the amplitudes of the vibrating bodies 24 and 28, respectively, as described above. For example, the amplitude of the vibrating bodies 24 and 28, That is, the control for the switch circuit (not shown) that the magnitudes of the output signals V A and V B of the capacitive voltage conversion circuits 33 and 34 output according to the displacement of the vibrating bodies 24 and 28 have reached a preset value. And at the detection timing, a switching signal from the B side to the C side and a switching signal from the E side to the F side are given from the switch circuit control unit to the drive signal switching switch circuits 39 and 40, respectively. It can be carried out.

(b)各圧力測定部81A,81Bの圧力測定動作方式を、加振電極29,30に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器37,38のゲインをそれぞれ調整する構成(以下「駆動電圧一定方式」とも称する)とした場合、振動体24,28の各Q値に対応して振動体24,28の振幅、つまり、容量電圧変換回路33,34から出力される各信号VA,VBの大きさが変化する。したがって、容量電圧変換回路33,34から出力される各信号VA,VBを圧力測定部81A,81Bとしての各出力信号とすることができる。 (B) The pressure measurement operation method of each pressure measurement unit 81A, 81B is configured to adjust the gains of the amplifiers 37, 38 so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 29, 30 is constant (hereinafter referred to as “ In other words, the amplitude of the vibrating bodies 24 and 28 corresponding to the Q values of the vibrating bodies 24 and 28, that is, the respective signals V A output from the capacity voltage conversion circuits 33 and 34 , V B changes in size. Therefore, the signals V A and V B output from the capacity voltage conversion circuits 33 and 34 can be used as output signals as the pressure measuring units 81A and 81B.

なお、各信号VA,VB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に変換すれば、圧力測定部81A,81Bの各測定可能圧力範囲での圧力測定をそれぞれ行なうことができる。例えば振動体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(圧力測定部81Aの出力信号VA)の大きさから、3Paから3000Paの領域では容量電圧変換回路34の出力(圧力測定部81Bの出力信号VB)の大きさから、それぞれ気体の圧力を測定することで、0.1Paから3000Paの広い範囲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)から各圧力値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。 In addition, if each signal V A , V B is converted into each Q value and further converted into gas pressure P, pressure measurement in each measurable pressure range of the pressure measuring units 81A, 81B can be performed. it can. For example, when the designs (a) and (b) which are the design examples shown in FIG. 3 are used for the vibrating bodies 24 and 28, the output of the capacitive voltage conversion circuit 33 (the output of the pressure measuring unit 81A) is in the range of 0.1 Pa to 100 Pa. By measuring the gas pressure from the magnitude of the signal V A ) and from the magnitude of the output of the capacitive voltage conversion circuit 34 (output signal V B of the pressure measuring unit 81B) in the region of 3 Pa to 3000 Pa, 0.1 Pa It is possible to measure the pressure of a wide range of gas from 3 to 3000 Pa. Further, the conversion from each output signal (amplitude of the vibrating body) of each of the capacitance / voltage conversion circuits 33 and 34 into each pressure value can be directly performed without passing through the Q value.

また、図5の構成例における振動体28が例えば図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VBの大きさ(振動体の振幅)と圧力値との関係は、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。ここで、図6は、本発明の第1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。 Further, when the vibrating body 28 in the configuration example of FIG. 5 is a design value shown in FIG. 6 and the material is a silicon vibrating body, for example, in the vibration direction along the wide surface of the weight 1, the excitation electrode 30 is used. When the gain of the amplifier 38 is adjusted so that the voltage of the drive signal applied to is constant, the relationship between the magnitude of the output signal V B of the capacitive voltage conversion circuit 34 (amplitude of the vibrating body) and the pressure value is As shown in FIG. 7, 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 the maximum limit value. Here, FIG. 6 shows an example in which the design values of the vibrating body according to the first embodiment of the present invention are different.

なお、上述のように本発明は、各圧力測定部81A, 81Bの出力信号VA,VB同士を演算部91で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニット93の出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成を基本としているが、上記駆動電圧一定方式における各容量電圧変換回路の出力信号(振動体の振幅)に基づく各圧力測定信号も真空計として出力する場合には、各容量電圧変換回路の出力信号から各圧力値への変換は例えば次のようにして行なうことができる。すなわち、容量電圧変換回路33,34の各出力信号VA,VBの大きさ(振動体の振幅)と各圧力値との関係の特性データを取得しておく。そして、上記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VA,VB(振動体の振幅)から各圧力値PA,PBへの変換を行う構成とすることもでき、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VA,VB(振動体の振幅)から各圧力値PA,PBへの変換を行う構成とすることもできる。 As described above, according to the present invention, the output signals V A and V B of the pressure measuring units 81A and 81B are combined and calculated by the calculation unit 91, and the output signal of the calculation processing unit 93 based on the combination calculation value is vacuumed. In the case of outputting each pressure measurement signal based on the output signal (amplitude of the vibrating body) of each capacitive voltage conversion circuit in the above-described constant driving voltage method as a vacuum gauge, Conversion from the output signal of each capacitance-voltage conversion circuit to each pressure value can be performed, for example, as follows. That is, the characteristic data of the relationship between the magnitudes of the output signals V A and V B (amplitude of the vibrating body) of the capacitance-voltage conversion circuits 33 and 34 and the pressure values are acquired. Then, the conversion means having a storage unit storing the data table of the characteristic data converts the output signals V A and V B (amplitude of the vibrating body) at the actual measurement into the pressure values PA and PB. Each output signal V A , V B (vibrating body) at the time of actual measurement can be obtained by a conversion means having a storage unit storing a relational expression approximately obtained from the curve of the characteristic data. It is also possible to adopt a configuration in which the pressure values PA and PB are converted.

(c)また、各圧力測定部81A,81Bの圧力測定動作方式を、振動体24,28の振幅、すなわち、振動体24,28の変位に応じて出力される容量電圧変換回路33,34の出力信号VA,VBの大きさ(振動体の振幅)が一定となるように増幅器37,38のゲインをそれぞれ調整する構成(以下「振幅一定方式」とも称する)とすることもできる。この場合、振動体24,28の各Q値に対応して増幅器37,38から加振電極29,30に印加される各駆動信号の電圧が変化するので、この各駆動信号の電圧を圧力測定部81A,81Bとしての各出力信号とすることができる。 (C) In addition, the pressure measurement operation method of each pressure measuring unit 81A, 81B is determined according to the amplitude of the vibrating bodies 24, 28, that is, the capacitance voltage conversion circuits 33, 34 output according to the displacement of the vibrating bodies 24, 28. A configuration in which the gains of the amplifiers 37 and 38 are respectively adjusted so that the magnitudes of the output signals V A and V B (the amplitude of the vibrating body) are constant (hereinafter also referred to as “constant amplitude method”) may be employed. In this case, 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, so the voltage of each drive signal is measured by pressure. Each output signal as the parts 81A and 81B can be used.

なお、上記各駆動信号の電圧をそれぞれ各Q値に変換し、さらにそれぞれ気体の圧力Pに変換すれば、圧力測定部81A,81Bの各測定可能圧力範囲での圧力測定をそれぞれ行なうことができる。また、各駆動信号の電圧から各圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。   If the voltage of each of the drive signals is converted into each Q value and further converted into the gas pressure P, the pressure measurement in each measurable pressure range of the pressure measuring units 81A and 81B can be performed. . Moreover, the conversion from the voltage of each drive signal to each pressure P value can be directly performed without passing through the Q value.

また、図5の構成例における振動体28が例えば図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VB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。 Further, when the vibrating body 28 in the configuration example of FIG. 5 is, for example, 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, a capacitive voltage conversion circuit. The relationship between the magnitude of the drive signal (drive voltage) and the pressure value when the gain of the amplifier 38 is adjusted so that the magnitude of the output signal V B of 34 (the amplitude of the vibrating body) is constant is shown in FIG. In the high voltage region (about 10 Pa or more) as shown in FIG. 5, 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.

なお、上述のように本発明は、各圧力測定部81A,81Bの出力信号VA,VB同士を演算部91で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニット93の出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成を基本としているが、上記振幅一定方式における各駆動信号の電圧に基づく各圧力測定信号も真空計として出力する場合には、各駆動信号の電圧から各圧力値への変換は例えば次のようにして行なうことができる。すなわち、各駆動信号の電圧と各圧力値との関係の特性データを取得しておく。そして、上記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の電圧から各圧力値への変換を行う構成とすることもでき、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の電圧から各圧力値への変換を行う構成とすることもできる。 As described above, in the present invention, the output signals V A and V B of the pressure measuring units 81A and 81B are combined and calculated by the calculation unit 91, and the output signal of the calculation processing unit 93 based on the combination calculation value is vacuum-processed. However, if each pressure measurement signal based on the voltage of each drive signal in the constant amplitude method is also output as a vacuum gauge, the voltage of each drive signal is changed to each pressure value. This conversion can be performed, for example, as follows. That is, the characteristic data of the relationship between the voltage of each drive signal and each pressure value is acquired. The conversion means having a storage unit storing a data table of the characteristic data can be configured to convert the voltage of each drive signal into each pressure value at the time of actual measurement. It is also possible to adopt a configuration for converting the voltage of each drive signal into each pressure value at the time of actual measurement by a conversion means having a storage unit that stores a relational expression approximately obtained from a curve.

(d)ここで、図5の回路構成例では、上記駆動電圧一定方式に対応して、演算器91に入力される圧力測定部81A,81Bの各出力信号VA,VBが容量電圧変換回路33,34の各出力信号(振動体の振幅)である構成を示しているが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、上記振幅一定方式に対応して、演算器91に入力される圧力測定部81A,81Bの各出力信号VA,VBが各駆動信号の電圧に基づく信号である構成とすることもできる。 (D) Here, in the circuit configuration example of FIG. 5, the output signals V A and V B of the pressure measuring units 81A and 81B input to the computing unit 91 are converted into capacitive voltage conversion in accordance with the driving voltage constant method. Although the configuration of the output signals (amplitude of the vibrating body) of the circuits 33 and 34 is shown, the present invention is not limited to the configuration described above, and is input to the arithmetic unit 91 in accordance with the constant amplitude method. Alternatively, the output signals V A and V B of the pressure measuring units 81A and 81B may be signals based on the voltages of the drive signals.

(e)なお、図5の回路構成例は、気体の圧力に関わらず常時全ての振動体を振動させる圧力測定方式に対応するものである。
また、上記した圧力測定部の動作の説明では、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。
(ヘ)真空計における演算部の構成および動作:
測定可能な圧力範囲の異なる2つの振動体24,28に対応する2つの圧力測定部81A,81Bの圧力測定特性の例を図9〜10に示す。
(E) The circuit configuration example in FIG. 5 corresponds to a pressure measurement method in which all the vibrating bodies are constantly vibrated regardless of the gas pressure.
Further, in the description of the operation of the pressure measuring unit 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. In the case of the above, similarly, 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, the gas in a wider area can be used. The pressure can be measured.
(F) Configuration and operation of the calculation unit in the vacuum gauge:
Examples of pressure measurement characteristics of the two pressure measurement units 81A and 81B corresponding to the two vibrators 24 and 28 having different measurable pressure ranges are shown in FIGS.

図9は、本発明の第1実施形態における振動体の振幅と雰囲気の圧力との関係を例示する図であり、振動体24,28の各振幅−圧力特性を例示している。
図10は、本発明の第1実施形態における容量電圧変換回路の出力電圧と雰囲気の圧力との関係を例示する図であり、図9における振動体24,28に対応する容量電圧変換回路33,34(すなわち圧力測定部81A,81B)の各出力電圧−圧力特性を例示している。
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the amplitude of the vibrating body and the pressure of the atmosphere in the first embodiment of the present invention, and illustrates the amplitude-pressure characteristics of the vibrating bodies 24 and 28.
FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the output voltage of the capacitive voltage conversion circuit and the atmospheric pressure in the first embodiment of the present invention. The capacitive voltage conversion circuit 33, corresponding to the vibrators 24, 28 in FIG. Each output voltage-pressure characteristic of 34 (that is, the pressure measuring units 81A and 81B) is illustrated.

ここで、図9〜10に示されるように、各容量電圧変換回路の出力値は対応する各振動体の振幅に概ね比例している。なお、図9〜10に示される特性例において、空気の粘性の影響により、高圧側では約1000Paが測定限界となっている。   Here, as shown in FIGS. 9 to 10, the output value of each capacitance-voltage conversion circuit is approximately proportional to the amplitude of each corresponding vibrating body. In the characteristic examples shown in FIGS. 9 to 10, the measurement limit is about 1000 Pa on the high pressure side due to the influence of the viscosity of air.

図9〜10に例示した圧力測定特性を有する2つの圧力測定部81A,81B(容量電圧変換回路33,34)の各出力信号VA,VBを組合せて演算して,その演算結果の信号VPOを出力する演算部91の構成および動作を実施例1〜3により説明する。 Signals of the calculation results are calculated by combining the output signals V A and V B of the two pressure measuring units 81A and 81B (capacitance voltage conversion circuits 33 and 34) having the pressure measurement characteristics illustrated in FIGS. The configuration and operation of the calculation unit 91 that outputs V PO will be described with reference to the first to third embodiments.

(a)実施例1は、図5の回路構成における演算部91として加算器からなる演算部91aを適用したものであり、圧力測定部81Aにおける容量電圧変換回路33の出力信号VAと圧力測定部81Bにおける容量電圧変換回路34の出力信号VBとを加算した下記(3)式に示される信号VPO(ad)を出力するようにした構成(加算方式の構成)である。 (A) In the first embodiment, a calculation unit 91a composed of an adder is applied as the calculation unit 91 in the circuit configuration of FIG. 5, and the output signal V A of the capacitance-voltage conversion circuit 33 and the pressure measurement in the pressure measurement unit 81A are applied. In this configuration, a signal V PO (ad) represented by the following equation (3) obtained by adding the output signal V B of the capacitive voltage conversion circuit 34 in the unit 81B is output (configuration of the addition method).

[数3]
VPO(ad)=αAVA+αBVB (3)
ここで、αA、αBはそれぞれ係数である。
[Equation 3]
V PO (ad) = α A V A + α B V B (3)
Here, α A and α B are coefficients.

(b)図11は、実施例1における演算部91aの出力値VPO(ad)と雰囲気の圧力Pとの関係の一例を示す図であり、上記式(3)における係数αAを1とし、係数αBを2とした場合を例示するものである。なお、図11の縦軸(出力値)は線形表示としている。 (B) FIG. 11 is a diagram showing an example of the relationship between the output value V PO (ad) of the calculation unit 91a and the atmospheric pressure P in the first embodiment, where the coefficient α A in the above equation (3) is 1. The case where the coefficient α B is 2 is illustrated. Note that the vertical axis (output value) in FIG. 11 is linearly displayed.

図11に示されるように、圧力測定部81Aの測定可能圧力範囲の下限側から圧力測定部81Bの測定可能圧力範囲の上限側にわたる広い圧力範囲において、演算部91aの出力信号VPO(ad)と圧力Pとが1対1の関係となっているため、演算部91aの出力信号VPO(ad)に基づき雰囲気の圧力Pを広い圧力範囲にわたって連続的に測定することが可能となっている。 As shown in FIG. 11, in the wide pressure range from the lower limit side of the measurable pressure range of the pressure measuring unit 81A to the upper limit side of the measurable pressure range of the pressure measuring unit 81B, the output signal V PO (ad) of the calculating unit 91a And the pressure P have a one-to-one relationship, so that the atmospheric pressure P can be continuously measured over a wide pressure range based on the output signal V PO (ad) of the calculation unit 91a. .

(a)実施例2は、図5の回路構成における演算部91として乗算器からなる演算部91mを適用したものであり、圧力測定部81Aにおける容量電圧変換回路33の出力信号VAと圧力測定部81Bにおける容量電圧変換回路34の出力信号VBとを乗算した下記(4)式で示される信号VPO(ml)を出力するようにした構成(乗算方式の構成)である。 (A) In the second embodiment, a calculation unit 91m composed of a multiplier is applied as the calculation unit 91 in the circuit configuration of FIG. 5, and the output signal V A of the capacitance-voltage conversion circuit 33 and the pressure measurement in the pressure measurement unit 81A are applied. In this configuration, a signal V PO (ml) represented by the following equation (4) obtained by multiplying the output signal V B of the capacitance-voltage conversion circuit 34 in the unit 81B is output (configuration of multiplication method).

[数4]
VPO(ml)=βVA×VB (4)
ここで、βは係数である。
[Equation 4]
V PO (ml) = βV A × V B (4)
Here, β is a coefficient.

(b)図12は、実施例2における演算部91mの出力値VPO(ml)と雰囲気の圧力Pとの関係の一例を示す図であり、上記式(4)における係数βを1とした場合を例示するものである。なお、図12の縦軸(出力値)は対数表示としている。 (B) FIG. 12 is a diagram showing an example of the relationship between the output value V PO (ml) of the calculation unit 91m and the atmospheric pressure P in Example 2, and the coefficient β in the above equation (4) is 1. The case is illustrated. In addition, the vertical axis | shaft (output value) of FIG.

図12に示されるように、圧力測定部81Aの測定可能圧力範囲の下限側から圧力測定部81Bの測定可能圧力範囲の上限側にわたる広い圧力範囲において、演算部91mの出力信号VPO(ml)と圧力Pとが1対1の関係となっているため、演算部91mの出力信号VPO(ml)に基づき雰囲気の圧力Pを広い圧力範囲にわたって連続的に測定することが可能となっている。 As shown in FIG. 12, in the wide pressure range from the lower limit side of the measurable pressure range of the pressure measuring unit 81A to the upper limit side of the measurable pressure range of the pressure measuring unit 81B, the output signal V PO (ml) of the computing unit 91m And the pressure P have a one-to-one relationship, so that the atmospheric pressure P can be continuously measured over a wide pressure range based on the output signal V PO (ml) of the calculation unit 91m. .

また、乗算方式の実施例2では、加算方式の実施例1に比べて、演算部の出力信号の変化率がより大きいため、圧力Pをより高い分解能で求めることが可能である。   Further, in the second embodiment of the multiplication method, since the rate of change of the output signal of the calculation unit is larger than that in the first embodiment of the addition method, the pressure P can be obtained with higher resolution.

(a)実施例3は、図5の回路構成における演算部91として除算器からなる演算部91dを適用したものであり、圧力測定部81Aにおける容量電圧変換回路33の出力信号VAを圧力測定部81Bにおける容量電圧変換回路34の出力信号VBで除算した下記(5)式で示される信号VPO(di)を出力するようにした構成(除算方式の構成)である。 (A) In the third embodiment, a calculation unit 91d composed of a divider is applied as the calculation unit 91 in the circuit configuration of FIG. 5, and the output signal V A of the capacitance-voltage conversion circuit 33 in the pressure measurement unit 81A is subjected to pressure measurement. In this configuration, the signal V PO (di) expressed by the following equation (5) divided by the output signal V B of the capacitance-voltage conversion circuit 34 in the unit 81B is output (configuration of the division method).

[数5]
VPO(di)=γVA÷VB (5)
ここで、γは係数である。
(b)図13は、実施例3における演算部91dの出力値VPO(di)と雰囲気の圧力Pとの関係の一例を示す図であり、上記式(5)における係数γを1とした場合を例示するものである。なお、図13の縦軸(出力値)は対数表示としている。
[Equation 5]
V PO (di) = γV A ÷ V B (5)
Here, γ is a coefficient.
(B) FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the output value V PO (di) of the calculation unit 91d and the atmospheric pressure P in the third embodiment, and the coefficient γ in the above equation (5) is 1. The case is illustrated. The vertical axis (output value) in FIG. 13 is logarithmic.

図13に示されるように、圧力測定部81Aの測定可能圧力範囲の下限側から圧力測定部81Bの測定可能圧力範囲の上限側にわたる広い圧力範囲において、演算部91dの出力信号VPO(di)と圧力Pとが1対1の関係となっているため、演算部91dの出力信号VPO(di)に基づき雰囲気の圧力Pを広い圧力範囲にわたって連続的に測定することが可能となっている。 As shown in FIG. 13, in the wide pressure range from the lower limit side of the measurable pressure range of the pressure measuring unit 81A to the upper limit side of the measurable pressure range of the pressure measuring unit 81B, the output signal V PO (di) of the calculating unit 91d. And the pressure P have a one-to-one relationship, so that the atmospheric pressure P can be continuously measured over a wide pressure range based on the output signal V PO (di) of the calculation unit 91d. .

また、除算方式の実施例3では、加算方式の実施例1に比べて、演算部の出力信号の変化率がより大きいため、圧力Pをより高い分解能で求めることが可能である。
なお、上述の実施例1〜3は、上記駆動電圧一定方式に対応した、演算器91に入力される圧力測定部81A,81Bの各出力信号VA,VBが容量電圧変換回路33,34の各出力信号(振動体の振幅)である構成に基づいた実施例である。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、圧力測定部81A,81Bの各出力信号VA,VBを演算部91で組合せて演算する構成を、上記振幅一定方式に対応した、演算器91に入力される圧力測定部81A,81Bの各出力信号VA,VBが各駆動信号の電圧に基づく信号である構成に適用することもできる。
Further, in the third embodiment of the division method, since the rate of change of the output signal of the calculation unit is larger than that in the first embodiment of the addition method, the pressure P can be obtained with higher resolution.
In the above-described first to third embodiments, the output signals V A and V B of the pressure measuring units 81A and 81B input to the computing unit 91 corresponding to the constant driving voltage method are the capacitance voltage conversion circuits 33 and 34, respectively. It is an Example based on the structure which is each output signal (amplitude of a vibrating body). However, the present invention is not limited to the above configuration, and the configuration in which the output signals V A and V B of the pressure measurement units 81A and 81B are combined and calculated by the calculation unit 91 corresponds to the constant amplitude method. The present invention can also be applied to a configuration in which the output signals V A and V B of the pressure measuring units 81A and 81B input to the calculator 91 are signals based on the voltages of the drive signals.

また、演算部91の出力信号VPOとして、図11〜13ではアナログ電圧信号を出力する例を示しているが、ディジタル化した信号を出力するようにしてもよい。
また、上述の実施例1〜3では、測定可能な圧力範囲の異なる2つの圧力測定部(振動体)を用いた真空計における構成例を説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、測定可能な圧力範囲の異なる3つ以上の圧力測定部(振動体)を用いた真空計にも適用することができる。そして、例えば、測定可能な圧力範囲の異なる3つの圧力測定部(振動体)を用いた真空計に上記実施例1〜3と同様な方式を適用して次のような構成とすることができる。
(加算方式の構成例)3つの圧力測定部(振動体)を全て同時に動作させ、3つの圧力測定部の各出力信号VA,VB,VCを組合せて「VPO(ad)=αAVA+αBVB+αCVC」のような演算を行なう。ここで、αA、αB、αCはそれぞれ係数である。
(乗算方式の構成例)3つの圧力測定部(振動体)を全て同時に動作させ、3つの圧力測定部の各出力信号VA,VB,VCを組合せて「VPO(ml)=βVA×VB×VC」のような演算を行なう。ここで、βは係数である。
(除算方式の構成例)3つの圧力測定部(振動体)を全て同時に動作させ、3つの圧力測定部の各出力信号VA,VB,VCを組合せて「VPO(di)=γVA÷VB÷VC」のような演算を行なう。ここで、γは係数である。なお、測定可能な圧力範囲の異なる3つ以上の圧力測定部(振動体)を用いた構成では、除算方式の場合、より高圧側に対応する圧力測定部の出力信号から順にVA,VB,VCとする。
(ト)圧力変換回路の構成および動作:
また、演算処理ユニット93における圧力変換部92は、上述のように、演算部91による組合せ演算値(演算信号VPO)と圧力値との関係の特性データに基づいて,実測定時における組合せ演算値(演算信号VPO)から圧力値への変換を行なうものである。なお、上記特性データとしては予め取得しておいたデータを用いる。
Moreover, although the example which outputs an analog voltage signal is shown in FIGS. 11-13 as the output signal VPO of the calculating part 91, you may make it output the digitized signal.
Moreover, although the above-mentioned Examples 1-3 demonstrated the structural example in the vacuum gauge using two pressure measuring parts (vibrating body) from which the pressure range which can be measured differs, this invention is limited to the said structure. Instead, the present invention can also be applied to a vacuum gauge using three or more pressure measuring units (vibrating bodies) having different measurable pressure ranges. For example, the same configuration as in the first to third embodiments can be applied to a vacuum gauge using three pressure measuring units (vibrating bodies) having different measurable pressure ranges to obtain the following configuration. .
(Additional configuration example) All three pressure measuring units (vibrating bodies) are operated simultaneously, and the output signals V A , V B , and V C of the three pressure measuring units are combined and “V PO (ad) = α “A V A + α B V B + α C V C ” is performed. Here, α A , α B , and α C are coefficients.
(Configuration example of multiplication method) All three pressure measuring units (vibrating bodies) are operated simultaneously, and the output signals V A , V B , and V C of the three pressure measuring units are combined and “V PO (ml) = βV An operation such as “ A × V B × V C ” is performed. Here, β is a coefficient.
(Configuration example of division method) All three pressure measurement units (vibrating bodies) are operated simultaneously, and the output signals V A , V B , and V C of the three pressure measurement units are combined to obtain “V PO (di) = γV A calculation such as “ A ÷ V B ÷ V C ” is performed. Here, γ is a coefficient. In the configuration using three or more pressure measuring units (vibrating bodies) having different measurable pressure ranges, in the case of the division method, V A and V B in order from the output signal of the pressure measuring unit corresponding to the higher pressure side. , V C.
(G) Configuration and operation of pressure conversion circuit:
Further, as described above, the pressure conversion unit 92 in the arithmetic processing unit 93 is based on the characteristic data of the relationship between the combination calculation value (calculation signal V PO ) by the calculation unit 91 and the pressure value, and the combination calculation value at the time of actual measurement. Conversion from (calculation signal V PO ) to a pressure value is performed. Note that data acquired in advance is used as the characteristic data.

例えば、演算部91として乗算器からなる演算部91mを適用した実施例2の場合、図12に示されるような演算部91mの出力値VPO(ml)と圧力Pとの関係の特性データを取得しておく。そして、圧力変換部92は、上記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、実測定時における組合せ演算値(出力値VPO(ml))から圧力値への変換を行う構成とすることができ、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、実測定時における組合せ演算値(出力値VPO(ml))から圧力値への変換を行う構成とすることもできる。演算処理ユニット93において上記のような構成の圧力変換部92を設け、圧力変換部92の出力信号VPを真空計の圧力測定信号とすることにより、圧力測定部81A,81Bの各測定可能圧力範囲同士がオーバーラップするオーバーラップ圧力領域の近傍での非線形性などを補正し、真空計の圧力測定範囲の全領域にわたって一様な線形性を備えたものとすることができる。 For example, in the case of the second embodiment in which the arithmetic unit 91m composed of a multiplier is applied as the arithmetic unit 91, characteristic data on the relationship between the output value V PO (ml) of the arithmetic unit 91m and the pressure P as shown in FIG. Get it. The pressure conversion unit 92 is configured to convert a combination calculation value (output value V PO (ml)) into a pressure value at the time of actual measurement by a conversion unit including a storage unit that stores a data table of the characteristic data. In addition, from the combination calculation value (output value V PO (ml)) at the time of actual measurement by the conversion means having a storage unit storing the relational expression approximately obtained from the characteristic data curve. It can also be set as the structure which converts into a pressure value. In the arithmetic processing unit 93, the pressure conversion unit 92 configured as described above is provided, and the output signal V P of the pressure conversion unit 92 is used as the pressure measurement signal of the vacuum gauge, so that each of the pressure measurement units 81A and 81B can be measured Nonlinearity in the vicinity of the overlap pressure region where the ranges overlap can be corrected, and uniform linearity can be provided over the entire region of the pressure measurement range of the vacuum gauge.

なお、圧力変換部92の出力信号VPとしては、その信号レベル(信号の大きさ)と圧力値との関係において、例えば、真空計の圧力測定範囲の全領域にわたって一様な比例係数で圧力値に比例する信号を出力するようにしてもよく、また、圧力値を対数化した値に比例する信号を出力するようにしてもよい。また、圧力変換部92の出力信号VPは、例えばアナログ電圧信号であってもよく、また、ディジタル化された信号であってもよい。
(チ)真空計の機構部分を成す構造体の異なる構成例
図14は、本発明の第1実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の異なる構成例を示す平面図であり、図15は、図14に示す構造体の側面図である。図14および図15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から構成されており、このような構造体を備えた真空計にも本発明は適用することができる。
(リ)真空計の異なる回路構成例:
(a)また、本発明の第1実施形態に係る真空計の回路構成は、次のような構成とすることもできる。図16は、本発明の第1実施形態に係る真空計の異なる回路構成例を示すブロック図である。なお、図16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(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圧力測定部82Aの回路構成だけを示しているが、他の振動体に対応する圧力測定装置82Bの回路構成も同様である。
As the output signal V P of the pressure converter 92, the relationship between the pressure value (magnitude of the signal) signal level, for example, the pressure in a uniform proportional coefficient over the entire area of the pressure measurement range of the gauge A signal proportional to the value may be output, or a signal proportional to the logarithm of the pressure value may be output. The output signal V P of the pressure converter 92 may be, for example, an analog voltage signal, or may be a digitized signal.
FIG. 14 is a plan view showing a different configuration example of the structure constituting the mechanism part of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention. 15 is a side view of the structure shown in FIG. 14 and 15, 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. The present invention can also be applied to a vacuum gauge equipped with such a structure, which includes vibration detection electrodes 6 and 8 for detecting the vibration of the vibration body 4.
(L) Different circuit configuration examples of vacuum gauge:
(A) Moreover, the circuit configuration of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention may be configured as follows. FIG. 16 is a block diagram showing a different circuit configuration example of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 16, one vacuum gauge includes a plurality of (for example, two) vibrators having different vibrator thicknesses, beam lengths, vibrator body materials, or areas. Only the circuit configuration of the pressure measuring unit 82A corresponding to the vibrating body is shown, but the circuit configuration of the pressure measuring device 82B corresponding to the other vibrating body is the same.

(b)回路構成:
図16の回路構成例は、図14〜15に示した構成例の構造体に対応したものであり、1つの振動体4に対応する圧力測定部82Aが、振動体4、加振電極5,7、振動検出電極6,8、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駆動信号切替用スイッチ回路65から構成されている。そして、上記圧力測定部82Aの出力信号VAと詳細回路が図示されない圧力測定部82Bの出力信号VBとを演算部91により組合せて演算し,その組合せ演算値(演算信号VPO)を圧力変換部92により圧力値に変換して真空計の圧力測定信号VPとして出力する演算処理ユニット93が設けられている。
(B) Circuit configuration:
The circuit configuration example of FIG. 16 corresponds to the structure of the configuration example shown in FIGS. 14 to 15, and the pressure measurement unit 82A corresponding to one vibration body 4 includes the vibration body 4, the excitation electrode 5, 7, vibration detection electrodes 6 and 8, 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 capacitive voltage conversion circuits 53 and 52 A difference circuit 55 that outputs the difference between the outputs of the difference circuit 55, a phase shift circuit 57 that changes the phase of the output of the difference circuit 55, an amplifier 59 that amplifies the output of the phase shift circuit 57, and the phase of the input signal is inverted 180 degrees. The inverter circuit 61, the initial excitation signal source 63 for initial excitation of the vibrating body 4 in a predetermined vibration direction, and a drive signal switching switch circuit 65 for selecting a signal applied to the excitation electrodes 5 and 7 Has been. Then, the output signal V B of the output signal V A and the detailed circuit is not shown pressure measuring portion 82B of the pressure measuring portion 82A combination calculated by the arithmetic unit 91, the combination calculation value (operation signal V PO) pressure processing unit 93 which outputs as a pressure measurement signal V P of the gauge is converted into a pressure value is provided by the converter 92.

なお、演算処理ユニット93の構成は上述の図5の回路構成例と同様である。
(c)圧力測定部の動作:
(c1)次に、図16の回路構成例における圧力測定部の動作を説明する。図16において、振動体4が初期加振される場合、駆動信号切替用スイッチ回路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駆動信号切替用スイッチ回路65が切り替えられ、AとCが接続された状態となる。なお、駆動信号切替用スイッチ回路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駆動信号切替用スイッチ回路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。
The configuration of the arithmetic processing unit 93 is the same as the circuit configuration example of FIG.
(C) Operation of the pressure measuring unit:
(C1) Next, the operation of the pressure measurement unit in the circuit configuration example of FIG. 16 will be described. In FIG. 16, when the vibrating body 4 is initially vibrated, the drive signal switching 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 drive signal switching switch circuit 65 is switched, and A and C are connected. Note that the switching control of the drive signal switching switch circuit 65 is performed, for example, by setting 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 to a preset value. This is performed by detecting the arrival at a switch circuit control unit (not shown) and giving a switching signal from the B side to the C side from the switch circuit control unit to the drive signal switching switch circuit 65 at the detection timing. it can.

そして、駆動信号切替用スイッチ回路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 in the drive signal switching 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 further the output of the amplifier 59 The phase is inverted by the inversion circuit 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.

(c2)圧力測定部82Aの圧力測定動作方式を、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(駆動電圧一定方式)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VAを圧力測定部82Aとしての出力信号とすることができる。 (C2) When the pressure measurement operation method of the pressure measurement unit 82A is configured to adjust the gain of the amplifier 59 so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 7 and 5 is constant (constant drive voltage method) Corresponding to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibrating body 4, the amplitude in the predetermined vibration direction of the vibrating body 4, that is, the magnitude of the signal output from the difference circuit 55 changes according to the displacement amount of the vibrating body To do. Therefore, the output signal V A of the difference circuit 55 can be used as an output signal as the pressure measuring unit 82A.

なお、上記信号VA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に変換すれば、この圧力測定部82Aの測定可能圧力範囲での圧力測定を行なうことができる。また、差分回路55の出力信号(振動体の振幅)から圧力値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。 Note that if the magnitude of the signal V A is converted into a Q value in a predetermined vibration direction and further converted into a gas pressure P, pressure measurement in the measurable pressure range of the pressure measuring unit 82A can be performed. . Further, the conversion from the output signal (amplitude of the vibrating body) of the difference circuit 55 to the pressure value can be directly performed without using the Q value.

(c3)また、圧力測定部82Aの圧力測定動作方式を、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(振幅一定方式)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、この駆動信号の電圧を圧力測定部82Aとしての出力信号とすることができる。     (C3) Further, the pressure measuring operation method of the pressure measuring unit 82A is set to the amplitude in the predetermined vibration direction 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 ( A configuration in which the gain of the amplifier 59 is adjusted so that the amplitude of the vibrating body is constant (constant amplitude method) may be employed. In this case, since the voltage of the drive signal applied from the amplifier 59 to the excitation electrodes 7 and 5 changes corresponding to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibrating body 4, the voltage of this drive signal is changed to the pressure measuring unit 82A. As an output signal.

なお、上記駆動信号の電圧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に変換すれば、この圧力測定部82Aの測定可能圧力範囲での圧力測定を行なうことができる。また、駆動信号の電圧から圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。   If the voltage of the drive signal is converted into a Q value in a predetermined vibration direction and further converted into a gas pressure P, pressure measurement within the measurable pressure range of the pressure measuring unit 82A can be performed. Further, the conversion from the voltage of the drive signal to the pressure P value can be directly performed without using the Q value.

(c4)このように図16の回路構成例では、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。     (C4) As described above, in the circuit configuration example of FIG. 16, a single vacuum gauge includes a plurality of vibrators having at least one of the thickness of the vibrator, the length of the beam, the material of the vibrator, or the area. Each pressure measurement system corresponding to each vibrating body includes a vibrating body, a vibrating electrode unit including a pair of vibrating electrodes installed along the vibration direction on both sides of the vibrating body, and vibrations of the vibrating body. A phase shift circuit for changing a phase of a detection signal of the vibration detection unit, an amplifier for amplifying the output signal of the phase shift circuit, and an inversion for inverting the phase of the output signal of the amplifier A drive signal generation unit comprising a circuit, and applying each output signal of the inverting circuit and the amplifier to a set of excitation electrodes as a reverse-phase drive signal based on the detection signal of the vibration detection unit. Resonance is maintained It is configured.

(d)演算部の構成および動作:
次に、図16の回路構成例において、2つの圧力測定部82A,82Bの各出力信号VA,VBを組合せて演算し、演算結果を信号VPOとして出力する演算部91の構成および動作は、図5の回路構成例を用いて上述の実施例1〜3で説明した構成および動作と同様である。
(D) Configuration and operation of the calculation unit:
Next, in the circuit configuration example of FIG. 16, the configuration and operation of the calculation unit 91 that calculates the output signals V A and V B of the two pressure measurement units 82A and 82B in combination and outputs the calculation result as the signal V PO. These are the same as the configuration and operation described in the first to third embodiments using the circuit configuration example of FIG.

(e)圧力変換部の構成および動作:
また、図16の回路構成における圧力変換部92の構成および動作も、図5の回路構成例で説明したのと同様である。
(E) Configuration and operation of the pressure converter:
Further, the configuration and operation of the pressure conversion unit 92 in the circuit configuration of FIG. 16 are the same as those described in the circuit configuration example of FIG.

(f)また、図16の回路構成例についても、上述の図5の回路構成例と同様に、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。
(ヌ)真空計のさらに異なる回路構成例:
(a)また、本発明の第1実施形態に係る真空計の回路構成は、さらに次のような構成とすることもできる。図17は本発明の第1実施形態に係る真空計のさらに異なる回路構成例を示すブロック図である。図17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圧力測定部83Aの回路構成だけを示しているが、他の振動体に対応する圧力測定装置83Bの回路構成も同様である。
(F) Also, in the circuit configuration example of FIG. 16, as in the circuit configuration example of FIG. 5 described above, two different at least one of the thickness of the vibrating body, the length of the beam, the material or the area of the vibrating body is different. Although an example in the case of using a vibrating body has been shown, it is even wider by using three or more vibrating bodies that differ in at least one of the thickness of the vibrating body, the length of the beam, the material of the vibrating body, or the area. It becomes possible to measure the gas pressure in the region.
(Nu) Further different circuit configuration examples of vacuum gauge:
(A) Further, the circuit configuration of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention can be further configured as follows. FIG. 17 is a block diagram showing still another circuit configuration example of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention. FIG. 17 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 of the pressure measuring unit 83A corresponding to the above is shown, but the circuit configuration of the pressure measuring device 83B corresponding to other vibrating bodies is the same.

(b)回路構成:
図17の回路構成例は、図16の回路構成例と同様に図14〜15に示した構成例の構造体に対応したものであり、図16の回路構成例と比較して、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16の構成と同様である。
(B) Circuit configuration:
The circuit configuration example of FIG. 17 corresponds to the structure of the configuration example shown in FIGS. 14 to 15 similarly to the circuit configuration example of FIG. 16. Compared with the circuit configuration example of FIG. Although the configuration of the parts is different, the configuration is the same as that of FIG. 16 in other points.

図17において、1つの振動体に対応する圧力測定部83Aが、振動体4、加振電極5,7、振動検出電極6,8、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から構成されている。そして、上記圧力測定部83Aの出力信号VAと詳細回路が図示されない圧力測定部83Bの出力信号VBとを演算部91により組合せて演算し,その組合せ演算値(演算信号VPO)を圧力変換部92により圧力値に変換して真空計の圧力測定信号VPとして出力する演算処理ユニット93が設けられている。 In FIG. 17, the pressure measuring unit 83A corresponding to one vibrating body includes a vibrating body 4, excitation electrodes 5 and 7, vibration detection electrodes 6 and 8, and a static between the vibrating body 4 and the vibration detection electrodes 6 and 8. Capacitance / voltage conversion circuits 53 and 52 that output a voltage corresponding to a change in capacitance, a difference circuit 55 that outputs a difference between outputs of the capacitance / voltage conversion circuits 53 and 52, a drive signal source 73, and a drive signal source 73 It comprises an amplifier 59 for amplifying the output and an inverting circuit 61 for inverting the phase of the input signal by 180 degrees. Then, the output signal V A of the pressure measuring unit 83A and the output signal V B of the pressure measuring unit 83B whose detailed circuit is not shown are calculated by the calculation unit 91 and the combination calculation value (calculation signal V PO ) is calculated as the pressure. processing unit 93 which outputs as a pressure measurement signal V P of the gauge is converted into a pressure value is provided by the converter 92.

図17の回路構成例は、図16の回路構成例におけるような位相シフト回路57、初期加振用信号源63、駆動信号切替用スイッチ回路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。   The circuit configuration example of FIG. 17 does not include the phase shift circuit 57, the initial excitation signal source 63, and the drive signal switching switch circuit 65 as in the circuit configuration example of FIG. A driving signal source 73 used not only for initial driving but also for driving in a steady pressure measurement state is provided.

なお、演算処理ユニット93の構成は上述の図5の回路構成例と同様である。
(c)圧力測定部の動作:
(c1)次に、図17の回路構成例における圧力測定部の動作を説明する。図17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73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。
The configuration of the arithmetic processing unit 93 is the same as the circuit configuration example of FIG.
(C) Operation of the pressure measuring unit:
(C1) Next, the operation of the pressure measurement unit in the circuit configuration example of FIG. 17 will be described. In FIG. 17, the signal output from the drive signal source 73 is amplified by the amplifier 59, and the phase of the output of the amplifier 73 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.

(c2)圧力測定部83Aの圧力測定動作方式を、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(駆動電圧一定方式)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の出力信号VAを圧力測定部83Aとしての出力信号とすることができる。 (C2) When the pressure measurement operation method of the pressure measurement unit 83A is configured to adjust the gain of the amplifier 59 so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 5 and 7 is constant (drive voltage constant method) Corresponding to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibration body 4, the amplitude in the predetermined vibration direction of the vibration body 4, that is, the magnitude of the signal output from the difference circuit 55 according to the displacement amount of the vibration body 4 is Change. Therefore, the output signal V A of the difference circuit 55 can be used as an output signal as the pressure measuring unit 83A.

なお、上記信号VA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に変換すれば、この圧力測定部83Aの測定可能圧力範囲での圧力測定を行なうことができる。また、差分回路55の出力信号(振動体の振幅)から圧力値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。 Note that if the magnitude of the signal V A is converted into a Q value in a predetermined vibration direction and further converted into a gas pressure P, pressure measurement in the measurable pressure range of the pressure measuring unit 83A can be performed. . Further, the conversion from the output signal (amplitude of the vibrating body) of the difference circuit 55 to the pressure value can be directly performed without using the Q value.

(c3)また、圧力測定部83Aの圧力測定動作方式を、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(振幅一定方式)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、この駆動信号の電圧を圧力測定部83Aとしての出力信号とすることができる。     (C3) Further, the pressure measuring operation method of the pressure measuring unit 83A is set to the amplitude of the vibrating 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 vibrating body 4 ( A configuration in which the gain of the amplifier 59 is adjusted so that the amplitude of the vibrating body is constant (constant amplitude method) may be employed. In this case, since the voltage of the drive signal applied from the amplifier 59 to the excitation electrodes 5 and 7 changes corresponding to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibrating body 4, the voltage of this drive signal is changed to the pressure measuring unit 83A. As an output signal.

なお、上記駆動信号の電圧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に変換すれば、この圧力測定部83Aの測定可能圧力範囲での圧力測定を行なうことができる。また、駆動信号の電圧から圧力値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。   If the voltage of the drive signal is converted into a Q value in a predetermined vibration direction and further converted into a gas pressure P, pressure measurement in the measurable pressure range of the pressure measurement unit 83A can be performed. Further, the conversion from the voltage of the drive signal to the pressure value can be directly performed without using the Q value.

(d)演算部の構成および動作:
次に、図17の回路構成例において、2つの圧力測定部83A,83Bの各出力信号VA,VBを組合せて演算し、演算結果を信号VPOとして出力する演算部91の構成および動作は、図5の回路構成例を用いて上述の実施例1〜3で説明した構成および動作と同様である。
(D) Configuration and operation of the calculation unit:
Next, in the circuit configuration example of FIG. 17, the configuration and operation of the calculation unit 91 that calculates by combining the output signals V A and V B of the two pressure measurement units 83A and 83B and outputs the calculation result as the signal V PO. These are the same as the configuration and operation described in the first to third embodiments using the circuit configuration example of FIG.

(e)圧力変換部の構成および動作:
また、図17の回路構成における圧力変換部92の構成および動作も、図5の回路構成例で説明したのと同様である。
(E) Configuration and operation of the pressure converter:
The configuration and operation of the pressure conversion unit 92 in the circuit configuration of FIG. 17 are the same as those described in the circuit configuration example of FIG.

(f)また、図17の回路構成例についても、上述の図5の回路構成例と同様に、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。
(振動体の設計値のさらに異なる例)
次に、本発明の第1実施形態に係る振動体の設計値のさらに異なる例に基づいて気体の圧力Pと振動体のQ値との関係を説明する。図18は、本発明の第1実施形態に係る振動体の設計値のさらに異なる例を示す図であり、測定可能な圧力範囲の異なる2つの振動体の設計値として具体例1〜5を示している。
[具体例1]
図18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19は図18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19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18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20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20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18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21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21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18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22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22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(6)のように表される。
(F) Also, in the circuit configuration example of FIG. 17, as in the above-described circuit configuration example of FIG. 5, there are two different at least one of the thickness of the vibrating body, the length of the beam, the material or the area of the vibrating body. Although an example in the case of using a vibrating body has been shown, it is even wider by using three or more vibrating bodies that differ in at least one of the thickness of the vibrating body, the length of the beam, the material of the vibrating body, or the area. It becomes possible to measure the gas pressure in the region.
(Further different examples of design values for vibrators)
Next, the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrating body will be described based on still different examples of the design values of the vibrating body according to the first embodiment of the present invention. FIG. 18 is a diagram illustrating still another example of the design values of the vibrating body according to the first embodiment of the present invention. Specific examples 1 to 5 are shown as design values of two vibrating bodies having different measurable pressure ranges. ing.
[Specific Example 1]
Design (I) and design (II) in FIG. 18 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. 19 shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrator in the first specific example 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. 19, it can be seen that by using two vibrating bodies having different thicknesses, it is possible to widen the pressure range that can be measured by about one digit compared to the case of one vibrating body. .
[Specific Example 2]
Design (III) and design (IV) in FIG. 18 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. 20 shows the relationship between the pressure P of the gas and the Q value of the vibrator in the specific example 2 of the design value of the vibrator. From FIG. 20, it can be seen that by using two vibrating bodies 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 vibrating body.
[Specific Example 3]
Design (V) and design (VI) in FIG. 18 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 3, and the material (Young's modulus) of the vibrating body is different between the design (V) and the design (VI) ( Silicon: 130Gpa, Aluminum: 70GPa). FIG. 21 shows the relationship between the gas pressure P and the vibration member Q value in specific example 3 of the design values of the vibration member. From FIG. 21, it can be seen 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. 18 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 4. In the designs (VII) and (VIII), the area of the weight of the vibrating body (A × B value) ) Is different. FIG. 22 shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrating body in specific example 4 of the design value of the vibrating body. It can be seen from FIG. 22 that by using two vibrating bodies 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 vibrating body.
[Specific Example 5]
From the above equation (1), the coefficient part a of 1 / P is expressed as the following equation (6).

Figure 0005556363
Figure 0005556363

この式(6)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 seen from this equation (6) that the measurement range that can be measured can be greatly changed by using two vibrators having greatly different coefficients, that is, a large difference. .

図18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23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23より、上記した式(6)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. 18 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 5. In the design (IX) and the design (X), the length of the beam of the vibrating body (D value). , Area (A × B value) and beam thickness (C value) are different. FIG. 23 shows a relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrating body in the specific example 5 of the design value of the vibrating body. From FIG. 23, it is possible to widen the pressure range that can be measured by about three orders of magnitude compared to the case of one vibrator by using two vibrators having the coefficients of Equation (6) that are greatly different from each other. I know that there is.

そして、本発明の第1実施形態によれば、例えば上述の具体例1〜5で示した設計値で設計された2つの振動体に対応する2つの圧力測定部からの出力信号同士を組合せて演算する演算部を設けた構成とすることにより、1つの真空計で測定が不連続になること無く,広い範囲の気体の圧力を測定できるとともに、回路構成が簡素化された真空計を実現することができる。   And according to 1st Embodiment of this invention, the output signals from the two pressure measurement parts corresponding to the two vibrating bodies designed with the design values shown in the above specific examples 1 to 5, for example, are combined. By adopting a configuration with a calculation unit for calculation, it is possible to measure a wide range of gas pressures without making measurement discontinuous with a single vacuum gauge, and to realize a vacuum gauge with a simplified circuit configuration. be able to.

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を説明したが、本発明の第1実施形態では3つ以上の振動体を利用することも可能である。
(ル)上述のような本発明の第1実施形態によれば、測定可能圧力範囲が異なるとともに一部オーバーラップしてなる複数の振動体を常時振動させ、各振動体に対応する各圧力測定部の出力信号同士を演算部で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニットの出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成としたことにより、1つの真空計で測定が不連続になること無く,広い範囲の気体の圧力を測定できるとともに、回路構成が簡素化された真空計を実現することができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態に係る真空計は、振動体を測定可能圧力範囲が異なるとともに一部オーバーラップしてなる2つの振動方向に同時に振動させ、各振動方向に対応する各圧力測定部の出力信号同士を演算部で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニットの出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成を基本としたものである。
(イ)真空計の機構部分を成す構造体の構成:
図24は、本発明の第2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25は、図24に示す構造体の側面図である。図24および図25において真空計の機構部分を成す構造体は、錘101、梁102および振動体固定部103からなる振動体104、振動体104を第1の振動方向に加振する加振電極105および106、振動体104を第2の振動方向に加振する加振電極107および108、振動体104の第1の振動方向の振動を検出するための振動検出電極109および110、振動体104の第2の振動方向の振動を検出するための振動検出電極111および112から構成される。
(ロ)振動体の形状、振動体のQ値および気体の圧力Pとの関係:
次に、振動体104の形状、振動体104のQ値および気体の圧力Pとの関係は、上述の第1実施形態の(ロ)項で振動体4について述べたのと同様であり、振動体104のQ値と気体の圧力Pとの関係については、frを振動体104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104のQ値を上述の式(2)のように表すことができる。
(ハ)振動体の設計値の一例:
図26は、本発明の第2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27は、図26に示した振動体の設計値における気体の圧力P と振動体のQ値との関係を示す図である。図27に示すように、第1の振動方向に振動させた場合に測定することができる気体の圧力は約10Paから約10000Pa、第2の振動方向に振動させた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である。すなわち、振動方向によって測定することができる気体の圧力を変えることができる。なお、図26に示される振動体の第1および第2の振動方向における各固有周波数は、例えば、振動体の材質をシリコンとした場合、それぞれ、約1680Hzおよび約560Hzとなる。
(ニ)真空計の回路構成:
次に、本発明の第2実施形態に係る真空計の回路構成について説明する。図28は、本発明の第2実施形態に係る真空計の回路構成例を示すブロック図であり、振動体104と振動検出電極109、110、111および112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120、121、122および123、容量電圧変換回路120と121との出力の差分を出力する差分回路124、容量電圧変換回路122と123との出力の差分を出力する差分回路125、差分回路124の出力の位相を変化させる位相シフト回路126、位相シフト回路126の出力を増幅する増幅器128、入力された信号の位相を180度反転させる反転回路130、振動体104を第1の振動方向に初期加振するための初期加振用信号源132、加振電極105および106に印加される信号を選択するスイッチ回路134、差分回路125の出力の位相を変化させる位相シフト回路127、位相シフト回路127の出力を増幅する増幅器129、入力された信号の位相を180度反転させる反転回路131、振動体104を第2の振動方向に初期加振するための初期加振用信号源133、加振電極107および108に印加される信号を選択するスイッチ回路135、差分回路124および125の各出力信号VAおよびVBを演算部191により組合せて演算し,その組合せ演算値(演算信号VPO)を圧力変換部192により圧力値に変換して真空計の圧力測定信号VPとして出力する演算処理ユニット193から構成される。
In addition, although the case where two vibrating bodies are used has been described for all of the specific examples described above, it is also possible to use three or more vibrating bodies in the first embodiment of the present invention.
(L) According to the first embodiment of the present invention as described above, a plurality of vibrating bodies having different measurable pressure ranges and partially overlapping are constantly vibrated, and each pressure measurement corresponding to each vibrating body is performed. The output signals of the units are combined and calculated by the calculation unit, and the output signal of the arithmetic processing unit based on this combination calculation value is used as the pressure measurement signal of the vacuum gauge, so that the measurement is discontinuous with one vacuum gauge Thus, it is possible to realize a vacuum gauge that can measure the pressure of a wide range of gas and that has a simplified circuit configuration.
[Second Embodiment]
The vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention causes the vibrating body to vibrate simultaneously in two vibration directions having different measurable pressure ranges and partially overlapping, and each pressure measuring unit corresponding to each vibration direction. The basic configuration is such that the output signals are combined and calculated by the calculation unit, and the output signal of the arithmetic processing unit based on the combination calculation value is used as the pressure measurement signal of the vacuum gauge.
(B) Structure of the structure that forms the mechanism of the vacuum gauge:
FIG. 24 is a plan view of a structure that forms a mechanism part of a vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 25 is a side view of the structure shown in FIG. 24 and 25, the structure constituting the mechanism part of the vacuum gauge includes a vibrating body 104 including a weight 101, a beam 102 and a vibrating body fixing portion 103, and an excitation electrode for exciting the vibrating body 104 in the first vibration direction. 105 and 106, excitation electrodes 107 and 108 for exciting the vibration body 104 in the second vibration direction, vibration detection electrodes 109 and 110 for detecting vibration in the first vibration direction of the vibration body 104, and the vibration body 104 Vibration detection electrodes 111 and 112 for detecting vibrations in the second vibration direction.
(B) Relationship between the shape of the vibrating body, the Q value of the vibrating body and the gas pressure P:
Next, the relationship between the shape of the vibrating body 104, the Q value of the vibrating body 104, and the gas pressure P is the same as that described for the vibrating body 4 in the item (b) of the first embodiment described above. the relationship between the Q value and the gas pressure P of the body 104, the natural frequency, the area weight of the mass m, the S undergoes the resistance of the gas of the vibrating body 104 f r, the gas and R constant, temperature T , M is the mass per 1 mol of gas molecules, the Q value of the vibrating body 104 can be expressed as in the above equation (2).
(C) Examples of design values of the vibrator:
FIG. 26 is a diagram illustrating an example of the design value of the vibrating body according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 27 is a diagram illustrating the gas pressure P and the Q of the vibrating body at the design value of the vibrating body illustrated in FIG. It is a figure which shows the relationship with a value. As shown in FIG. 27, the gas pressure that can be measured when vibrating in the first vibration direction is about 10 Pa to about 10000 Pa, and the gas that can be measured when vibrating in the second vibration direction. The pressure is about 0.1 Pa to about 100 Pa. That is, the gas pressure that can be measured according to the vibration direction can be changed. Note that the natural frequencies in the first and second vibration directions of the vibrating body shown in FIG. 26 are approximately 1680 Hz and approximately 560 Hz, respectively, when the vibrating body is made of silicon, for example.
(D) Circuit configuration of vacuum gauge:
Next, a circuit configuration of the vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 28 is a block diagram showing a circuit configuration example of a vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention, in which voltages according to changes in electrostatic capacitances of the vibrating body 104 and the vibration detection electrodes 109, 110, 111, and 112 are shown. Capacitor voltage conversion circuits 120, 121, 122, and 123, a difference circuit 124 that outputs a difference in output between the capacitor voltage conversion circuits 120 and 121, and a difference that outputs a difference in output between the capacitor voltage conversion circuits 122 and 123. The circuit 125, the phase shift circuit 126 that changes the phase of the output of the difference circuit 124, the amplifier 128 that amplifies the output of the phase shift circuit 126, the inversion circuit 130 that inverts the phase of the input signal by 180 degrees, and the vibrating body 104 1. Initial excitation signal source 132 for initial excitation in the vibration direction of 1, a switch circuit 134 for selecting a signal applied to the excitation electrodes 105 and 106, and a phase shift circuit for changing the phase of the output of the difference circuit 125 127, an amplifier 129 for amplifying the output of the phase shift circuit 127, An inversion circuit 131 for inverting the phase of the input signal by 180 degrees, an initial excitation signal source 133 for initial excitation of the vibrating body 104 in the second vibration direction, and signals applied to the excitation electrodes 107 and 108 Each of the output signals V A and V B of the switch circuit 135 and the difference circuits 124 and 125 that are selected by the calculation unit 191 is combined and calculated, and the combination calculation value (calculation signal V PO ) is converted into a pressure value by the pressure conversion unit 192. an arithmetic processing unit 193 to output as a pressure measurement signal V P of the gauge conversion to.

なお、図28に示されるように、振動体104、加振電極105,106、振動検出電極109,110、容量電圧変換回路120,121、差分回路124、位相シフト回路126、増幅器128、反転回路130、初期加振用信号源132、スイッチ回路134により圧力測定部181Aが構成されており、差分回路124の出力信号VAが圧力測定部181Aとしての出力信号となっている。また、振動体104、加振電極107,108、振動検出電極111,112、容量電圧変換回路122,123、差分回路125、位相シフト回路127、増幅器129、反転回路131、初期加振用信号源133、スイッチ回路135により圧力測定部181Bが構成されており、差分回路125の出力信号VBが圧力測定部181Bとしての出力信号となっている。 As shown in FIG. 28, the vibrating body 104, the excitation electrodes 105 and 106, the vibration detection electrodes 109 and 110, the capacity voltage conversion circuits 120 and 121, the difference circuit 124, the phase shift circuit 126, the amplifier 128, and the inverting circuit 130, the initial excitation signal source 132, and the switch circuit 134 constitute a pressure measurement unit 181A, and the output signal V A of the difference circuit 124 is an output signal as the pressure measurement unit 181A. Further, the vibrating body 104, the excitation electrodes 107 and 108, the vibration detection electrodes 111 and 112, the capacitance voltage conversion circuits 122 and 123, the difference circuit 125, the phase shift circuit 127, the amplifier 129, the inverting circuit 131, and the initial excitation signal source 133, pressure measuring portion 181B by the switch circuit 135 is configured, the output signal V B of the difference circuit 125 is an output signal of the pressure measuring unit 181B.

また、演算処理ユニット193の演算部191による上記の組合せ演算は、振動体104を2つの振動方向に同時に振動させ各圧力測定部181A,181Bを動作させている状態で、真空計の圧力測定範囲の全領域において行われるものである。なお、演算部191としては、上述の第1実施形態と同様に、加算器からなる演算部191a、乗算器からなる演算部191m、除算器からなる演算部191dなどを適用することができる。   In addition, the combination calculation by the calculation unit 191 of the calculation processing unit 193 is performed in the state where the pressure measurement range of the vacuum gauge is obtained while the vibrating body 104 is simultaneously vibrated in two vibration directions and the pressure measurement units 181A and 181B are operated. This is performed in all areas. As the arithmetic unit 191, as in the first embodiment, an arithmetic unit 191a composed of an adder, an arithmetic unit 191m composed of a multiplier, an arithmetic unit 191d composed of a divider, and the like can be applied.

また、演算処理ユニット193における圧力変換部192は、演算部191による組合せ演算値(演算信号VPO)と圧力値との関係の特性データに基づいて,実測定時における組合せ演算値(演算信号VPO)から圧力値への変換を行なうものである。 In addition, the pressure conversion unit 192 in the arithmetic processing unit 193 determines the combination calculation value (calculation signal V PO in actual measurement) based on the characteristic data of the relationship between the combination calculation value (calculation signal V PO ) and the pressure value by the calculation unit 191. ) To a pressure value.

なお、図28では、演算処理ユニット193において演算部191の出力側に圧力変換部192を備え、この圧力変換部192により得られた圧力値に基づく信号を真空計の圧力測定信号VPとして出力する構成を示しているが、本発明は上記構成に限定されるものではない。すなわち、本発明では、基本的には、低圧領域用圧力測定部の測定可能圧力範囲の下限側から高圧領域用圧力測定部の測定可能圧力範囲の上限側にわたる広い圧力範囲(真空計の圧力測定範囲の全範囲)において、圧力に応じて連続的に変化するとともに圧力に対し1対1の関係をもつ測定信号が得られ、この測定信号に基づき雰囲気の圧力を広い圧力範囲(真空計の圧力測定範囲の全範囲)にわたって連続的に測定することができればよい。このため、本発明では、真空計の圧力測定信号として求められる信号形態などにもよるが、例えば演算処理ユニット193において圧力変換部192は備えず、演算部191からの演算信号VPOを真空計の圧力測定信号として出力する構成とすることもできる。
(ホ)真空計における圧力測定部の動作:
(a)次に、図26に示した振動体を利用した本発明の第2実施形態に係る真空計における圧力測定部の動作について説明する。図28において、振動体104が初期加振される場合、スイッチ回路134および135はそれぞれAとB、DとEが接続された状態である。初期駆動用信号源132から振動体104の第1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、反転回路130を経て加振電極105に印加されるとともに加振電極106にも印加される。一方、初期駆動用信号源133から振動体104の第2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、反転回路131を経て加振電極107に印加されるとともに加振電極108にも印加される。初期加振用信号源132および133は初期駆動するときのみ使用され、振動体104が振動し始めた後はスイッチ回路134および135が切り替えられ、それぞれAとC、DとFが接続された状態となる。なお、スイッチ回路134および135の切替制御は、例えば、振動体104の振幅、すなわち、振動体104の変位に応じて出力される差分回路124および125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134および135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。
In FIG. 28, the arithmetic processing unit 193 includes a pressure conversion unit 192 on the output side of the calculation unit 191, and a signal based on the pressure value obtained by the pressure conversion unit 192 is output as a pressure measurement signal V P of the vacuum gauge. However, the present invention is not limited to the above configuration. That is, in the present invention, basically, a wide pressure range from the lower limit side of the measurable pressure range of the low pressure region pressure measurement unit to the upper limit side of the measurable pressure range of the high pressure region pressure measurement unit (pressure measurement of the vacuum gauge). In the entire range), a measurement signal that changes continuously according to the pressure and has a one-to-one relationship with the pressure is obtained, and based on this measurement signal, the atmospheric pressure can be set within a wide pressure range (vacuum pressure range). It suffices if measurement can be continuously performed over the entire measurement range. Therefore, in the present invention, depending on such signal form required as a pressure measurement signal of the gauge, for example, without providing the pressure converter unit 192 in the arithmetic processing unit 193, the gauge of the operation signal V PO from the arithmetic unit 191 It can also be configured to output as a pressure measurement signal.
(E) Operation of pressure measurement unit in vacuum gauge:
(A) Next, the operation of the pressure measurement unit in the vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention using the vibrating body shown in FIG. 26 will be described. In FIG. 28, when the vibrating body 104 is initially vibrated, the switch circuits 134 and 135 are in a state where A and B and D and E are connected, respectively. A signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the vibrating body 104 in the first vibration direction is output from the initial drive signal source 132 and applied to the excitation electrode 105 through the inversion circuit 130 and also to the excitation electrode 106. Applied. On the other hand, a signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the vibrating body 104 in the second vibration direction is output from the initial drive signal source 133 and applied to the excitation electrode 107 via the inversion circuit 131 and the excitation electrode 108. Is also applied. The initial excitation signal sources 132 and 133 are used only during initial driving, and after the vibrating body 104 starts to vibrate, the switch circuits 134 and 135 are switched, and A and C, and D and F are connected, respectively. It becomes. Note that the switching control of the switch circuits 134 and 135 is, for example, a value in which the amplitude of the vibrating body 104, that is, the magnitudes of the output signals of the difference circuits 124 and 125 output according to the displacement of the vibrating body 104 are set in advance. Is detected by a switch circuit control unit (not shown), and at the detection timing, a switch signal from the B side to the C side and a switch signal from the E side to the F side from the switch circuit control unit to the switch circuits 134 and 135 are detected. This can be done by giving each switching signal.

そして、スイッチ回路134および135でAとCとが接続されるとともにDとFとが接続された状態において、差分回路124の出力信号の位相を位相シフト回路126でシフトし、増幅器128で増幅し、さらに増幅器128の出力の位相を反転回路130で反転させる。反転回路130の出力および増幅器128の出力が加振電極105および加振電極106にそれぞれ印加され、振動体104の第1の振動方向の共振状態を保持する。一方、差分回路125の出力信号の位相を位相シフト回路127でシフトし、増幅器129で増幅し、さらに増幅器129の出力の位相を反転回路131で反転させる。反転回路131の出力および増幅器129の出力が加振電極107および加振電極108にそれぞれ印加され、振動体104の第2の振動方向の共振状態を保持する。   In the state where A and C are connected and D and F are connected in the switch circuits 134 and 135, the phase of the output signal of the difference circuit 124 is shifted by the phase shift circuit 126 and amplified by the amplifier 128. Further, the phase of the output of the amplifier 128 is inverted by the inversion circuit 130. The output of the inverting circuit 130 and the output of the amplifier 128 are applied to the excitation electrode 105 and the excitation electrode 106, respectively, and the resonance state of the vibrating body 104 in the first vibration direction is maintained. On the other hand, the phase of the output signal of the difference circuit 125 is shifted by the phase shift circuit 127, amplified by the amplifier 129, and further the phase of the output of the amplifier 129 is inverted by the inversion circuit 131. The output of the inverting circuit 131 and the output of the amplifier 129 are applied to the excitation electrode 107 and the excitation electrode 108, respectively, and the resonance state of the vibrating body 104 in the second vibration direction is maintained.

(b)各圧力測定部181A,181Bの圧力測定動作方式を、加振電極105および106に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器128のゲインを、また加振電極107および108に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器129のゲインをそれぞれ調節する構成(駆動電圧一定方式)とした場合、振動体104の第1および第2の振動方向における各Q値に対応して振動体104の第1および第2の振動方向における各振幅、すなわち、振動体の変位量に応じて差分回路124および125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124,125から出力される各信号VA,VBを圧力測定部181A,181Bとしての各出力信号とすることができる。 (B) The pressure measuring operation method of each pressure measuring unit 181A, 181B is set so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 105 and 106 is constant, and the gain of the amplifier 128 is applied to the excitation electrodes 107 and 108. When the gain of the amplifier 129 is adjusted so that the voltage of the drive signal to be applied is constant (a constant drive voltage method), it corresponds to each Q value in the first and second vibration directions of the vibrating body 104. Thus, the magnitudes of the signals output from the difference circuits 124 and 125 change in accordance with the respective amplitudes of the vibrating body 104 in the first and second vibration directions, that is, the displacement amount of the vibrating body. Therefore, the signals V A and V B output from the difference circuits 124 and 125 can be used as output signals as the pressure measuring units 181A and 181B.

なお、差分回路124,125の各出力信号の大きさを第1,第2の振動方向における各Q値に変換し、さらにそれぞれ気体の圧力Pに変換すれば、圧力測定部181A,181Bの各測定可能圧力範囲での圧力測定をそれぞれ行なうことができる。また、差分回路124,125の各出力信号(振動体の振幅)から各圧力値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。   If the magnitudes of the output signals of the difference circuits 124 and 125 are converted into Q values in the first and second vibration directions and further converted into gas pressures P, the pressure measurement units 181A and 181B Each pressure measurement in the measurable pressure range can be performed. Moreover, the conversion from each output signal (amplitude of the vibrating body) of the difference circuits 124 and 125 to each pressure value can be directly performed without passing through the Q value.

ここで、図26に示される設計値であって材質がシリコンである振動体の場合、例えば第1の振動方向においては、加振電極105および106に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器128のゲインを調整するときの、差分回路124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29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。ここで、図29の縦軸「振幅(m)」における「1.00E−07」〜「1.00E−04」との目盛数値の記載は、それぞれ「1.00×10−7」〜「1.00×10−4」を示すものである。 Here, in the case of the vibrator having the design values shown in FIG. 26 and made of silicon, the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 105 and 106 is constant in the first vibration direction, for example. When the gain of the amplifier 128 is adjusted, the relationship between the magnitude of the output signal of the difference circuit 124 (the amplitude of the vibrating body) and the pressure P value is as shown in FIG. 29 (about 10 Pa or more). In the high pressure region, the amplitude is almost inversely proportional to the pressure, and on the low pressure side, the amplitude is saturated toward its maximum limit value. Here, the description of the scale values of “1.00E-07” to “1.00E-04” in the vertical axis “amplitude (m)” in FIG. 29 is “1.00 × 10 −7 ” to “ 1.00 × 10 −4 ”.

なお、上述のように本発明は、各圧力測定部181A,181Bの出力信号同士を演算部191で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニット193の出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成を基本としているが、上記駆動電圧一定方式における各差分回路の出力信号に基づく各圧力測定信号も真空計として出力する場合には、各差分回路の出力信号から各圧力値への変換は例えば次のようにして行なうことができる。すなわち、差分回路124および125の各出力信号の大きさ(振動体の振幅)と各圧力値との関係の特性データを取得しておく。そして、上記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)から各圧力値への変換を行う構成とすることもでき、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)から各圧力値への変換を行う構成とすることもできる。   As described above, in the present invention, the output signals of the pressure measurement units 181A and 181B are combined and calculated by the calculation unit 191, and the output signal of the calculation processing unit 193 based on the combination calculation value is used as the pressure measurement signal of the vacuum gauge. However, when each pressure measurement signal based on the output signal of each difference circuit in the above-mentioned constant drive voltage method is also output as a vacuum gauge, conversion from the output signal of each difference circuit to each pressure value For example, it can be performed as follows. That is, characteristic data on the relationship between the magnitudes of the output signals of the difference circuits 124 and 125 (the amplitude of the vibrating body) and the pressure values is acquired in advance. The conversion means having a storage unit storing the data table of the characteristic data may be configured to convert each output signal (amplitude of the vibrating body) into each pressure value at the time of actual measurement. A configuration for converting each output signal (amplitude of the vibrating body) into each pressure value at the time of actual measurement by a conversion means having a storage unit storing a relational expression approximately obtained from the curve of the characteristic data. It can also be.

(c)また、各圧力測定部181A,181Bの圧力測定動作方式を、振動体104の振幅、すなわち、振動体104の変位に応じて出力される差分回路124,125の各出力信号の大きさが一定となるように増幅器128,129の各ゲインをそれぞれ調整する構成(振幅一定方式)とすることもできる。この場合、振動体104の第1および第2の振動方向における各Q値に対応して増幅器128および129から加振電極105,106および107,108側に印加される各駆動信号の電圧が変化するので、この各駆動信号の電圧を圧力測定部181A,181Bとしての各出力信号とすることができる。   (C) Further, the pressure measurement operation method of each pressure measuring unit 181A, 181B is determined according to the amplitude of the vibrating body 104, that is, the magnitude of each output signal of the difference circuits 124, 125 output according to the displacement of the vibrating body 104. The gains of the amplifiers 128 and 129 can be adjusted so as to be constant (constant amplitude method). In this case, the voltages of the drive signals applied from the amplifiers 128 and 129 to the excitation electrodes 105, 106, 107, and 108 are changed corresponding to the respective Q values in the first and second vibration directions of the vibrating body 104. Therefore, the voltage of each drive signal can be used as each output signal as the pressure measuring units 181A and 181B.

なお、上記各駆動信号の電圧を第1および第2の振動方向における各Q値に変換し、さらにそれぞれ気体の圧力Pに変換すれば、圧力測定部181A,181Bの各測定可能圧力範囲での圧力測定をそれぞれ行なうことができる。また、各駆動信号の電圧から各圧力値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換することもできる。   If the voltage of each driving signal is converted into each Q value in the first and second vibration directions, and further converted into the gas pressure P, the pressure measurement units 181A and 181B can measure each pressure range. Each pressure measurement can be made. Further, the conversion from the voltage of each drive signal to each pressure value can be directly performed without passing through the Q value.

ここで、図26に示される設計値であって材質がシリコンである振動体の場合、例えば第1の振動方向においては、差分回路124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128のゲインを調整するときの、駆動信号の大きさ(駆動電圧)と圧力値との関係は、図30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。ここで、図30の縦軸「駆動電圧(Vpeak)」における「1.00E−01」〜「1.00E+02」との目盛数値の記載は、それぞれ「1.00×10−1」〜「1.00×10+2」を示すものである。 Here, in the case of the vibrator having the design values shown in FIG. 26 and the material being silicon, for example, in the first vibration direction, the magnitude of the output signal of the difference circuit 124 (the amplitude of the vibrator) is constant. The relationship between the magnitude of the driving signal (driving voltage) and the pressure value when adjusting the gain of the amplifier 128 is as follows. In the high voltage region (about 10 Pa or more) as shown in FIG. Is substantially proportional to the pressure, and on the low pressure side, the drive voltage decreases so as to saturate toward the minimum limit value. Here, the description of the scale values of “1.00E-01” to “1.00E + 02” in the vertical axis “drive voltage (Vpeak)” in FIG. 30 is “1.00 × 10 −1 ” to “1”, respectively. .00 × 10 +2 ”.

なお、上述のように本発明は、各圧力測定部181A,181Bの出力信号同士を演算部191で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニット193の出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成を基本としているが、上記振幅一定方式における各駆動信号に基づく各圧力測定信号も真空計として出力する場合には、各駆動信号から各圧力値への変換は例えば次のようにして行なうことができる。すなわち、そして、例えば、各駆動信号の電圧(の大きさ)と各圧力値との関係の特性データを取得しておく。そして、上記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の電圧から各圧力値への変換を行う構成とすることもでき、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の電圧から各圧力値への変換を行う構成とすることもできる。   As described above, in the present invention, the output signals of the pressure measurement units 181A and 181B are combined and calculated by the calculation unit 191, and the output signal of the calculation processing unit 193 based on the combination calculation value is used as the pressure measurement signal of the vacuum gauge. However, when each pressure measurement signal based on each drive signal in the constant amplitude method is also output as a vacuum gauge, conversion from each drive signal to each pressure value is performed as follows, for example. Can be done. That is, for example, the characteristic data of the relationship between the voltage (the magnitude) of each drive signal and each pressure value is acquired. The conversion means having a storage unit storing a data table of the characteristic data can be configured to convert the voltage of each drive signal into each pressure value at the time of actual measurement. It is also possible to adopt a configuration for converting the voltage of each drive signal into each pressure value at the time of actual measurement by a conversion means having a storage unit that stores a relational expression approximately obtained from a curve.

(d)ここで、図28の回路構成例では、上記駆動電圧一定方式に対応して、演算器191に入力される圧力測定部181A,181Bの各出力信号VA,VBが差分回路124,125の各出力信号(振動体の振幅)である構成を示しているが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、上記振幅一定方式に対応して、演算器191に入力される圧力測定部181A,181Bの各出力信号VA,VBが各駆動信号の電圧(の大きさ)に基づく信号である構成とすることもできる。 (D) Here, in the circuit configuration example of FIG. 28, the output signals V A and V B of the pressure measuring units 181A and 181B input to the calculator 191 correspond to the above-described constant driving voltage method. , 125 output signals (vibration body amplitude) are shown, but the present invention is not limited to the above configuration, and is input to the arithmetic unit 191 corresponding to the constant amplitude method. The output signals V A and V B of the pressure measuring units 181A and 181B can be configured to be signals based on the voltage of each drive signal.

(e)なお、本発明の第2実施形態では、振動体104を測定可能圧力範囲が異なるとともに一部オーバーラップしてなる第1の振動方向と第2の振動方向とに同時に振動させ、それぞれの振動方向で気体の圧力を同時に測定するため、気体の圧力によって振動方向を切り替える場合と異なり連続的に気体の圧力を測定することが可能である。また、気体の圧力によって振動方向を切り替える必要がないため、制御回路などが簡単になる。
(ヘ)真空計における演算部の構成および動作:
次に、本発明の第2実施形態における図28の回路構成例において、2つの圧力測定部181A,181Bの各出力信号VA,VBを組合せて演算し、演算結果を信号VPOとして出力する演算部191の構成および動作は、図5の回路構成例を用いて上述の実施例1〜3で説明した演算部91の構成および動作と同様である。
(ト)圧力変換部の構成および動作:
また、図28の回路構成における圧力変換部192の構成および動作も、図5の回路構成例で圧力変換部92について説明したのと同様である。
(チ)上述のような本発明の第2実施形態によれば、振動体を測定可能圧力範囲が異なるとともに一部オーバーラップしてなる2つの振動方向に同時に振動させ、各振動方向に対応する各圧力測定部の出力信号同士を演算部で組合せ演算し、この組合せ演算値に基づく演算処理ユニットの出力信号を真空計の圧力測定信号とする構成としたことにより、1つの真空計で測定が不連続になること無く,広い範囲の気体の圧力を測定できるとともに、回路構成が簡素化された真空計を実現することができる。
(E) In the second embodiment of the present invention, the vibrating body 104 is vibrated simultaneously in the first vibration direction and the second vibration direction, which are different in measurable pressure range and partially overlap, Since the gas pressure is simultaneously measured in the vibration direction, it is possible to continuously measure the gas pressure, unlike when the vibration direction is switched depending on the gas pressure. Further, since it is not necessary to switch the vibration direction depending on the gas pressure, the control circuit and the like are simplified.
(F) Configuration and operation of the calculation unit in the vacuum gauge:
Next, in the circuit configuration example of FIG. 28 in the second embodiment of the present invention, the output signals V A and V B of the two pressure measuring units 181A and 181B are calculated in combination, and the calculation result is output as the signal V PO. The configuration and operation of the calculation unit 191 are the same as the configuration and operation of the calculation unit 91 described in the first to third embodiments using the circuit configuration example of FIG.
(G) Configuration and operation of pressure converter:
The configuration and operation of the pressure conversion unit 192 in the circuit configuration of FIG. 28 are the same as those described for the pressure conversion unit 92 in the circuit configuration example of FIG.
(H) According to the second embodiment of the present invention as described above, the vibrating body is simultaneously vibrated in two vibration directions having different measurable pressure ranges and partially overlapping, and corresponding to each vibration direction. By combining the output signals of each pressure measurement unit with the calculation unit and using the output signal of the arithmetic processing unit based on this combination calculation value as the pressure measurement signal of the vacuum gauge, measurement can be performed with one vacuum gauge. Without being discontinuous, it is possible to measure a wide range of gas pressures and realize a vacuum gauge with a simplified circuit configuration.

1,21,25,101・・・錘
2,22,26,102・・・梁
3,23,27,103・・・振動体固定部
4,24,28,104・・・振動体
5,7,29,30,105〜108・・・加振電極
6,8,31,32,109〜112・・・振動検出電極
33,34,52,53,120〜123・・・容量電圧変換回路
35,36,57,126,127・・・位相シフト回路
37,38,59,128,129・・・増幅器
39,40,65,134,135・・・駆動信号切替用スイッチ回路
41,42,63,132,133・・・初期駆動用信号源
55,124,125・・・差分回路
61,130,131・・・反転回路
73・・・駆動用信号源
81A,81B,82A,82B,83A,83B,181A,181B・・・圧力測定部
91,191・・・演算部
92,192・・・圧力変換部
93,193・・・演算処理ユニット
1, 21, 25, 101 ... weight
2, 22, 26, 102 ... beam
3, 23, 27, 103 ... vibrating body fixing part
4, 24, 28, 104 ... Vibrating body
5, 7, 29, 30, 105 to 108 ... excitation electrodes
6, 8, 31, 32, 109 to 112 ... Vibration detection electrode
33, 34, 52, 53, 120-123 ... capacity voltage conversion circuit
35, 36, 57, 126, 127 ... Phase shift circuit
37,38,59,128,129 ... Amplifier
39, 40, 65, 134, 135 ... Switch circuit for driving signal switching
41, 42, 63, 132, 133 ... Signal source for initial drive
55, 124, 125 ... Difference circuit
61, 130, 131 ... Inversion circuit
73 ... Drive signal source
81A, 81B, 82A, 82B, 83A, 83B, 181A, 181B ... Pressure measurement unit
91,191 ... Calculation unit
92,192 ... Pressure converter
93, 193 ... arithmetic processing unit

Claims (14)

共振状態に保持された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複数設け、前記各圧力測定部により共通の雰囲気の圧力を測定する真空計において、
各圧力測定部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,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成し、
前記真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部を設けた
ことを特徴とする真空計。
In a vacuum gauge that provides a plurality of pressure measuring units that measure the pressure of the atmosphere from the vibration characteristics of the vibrating body held in a resonance state, and measures the pressure of a common atmosphere by each of the pressure measuring units,
The pressure ranges that can be measured by each pressure measuring unit are made different, and the pressure ranges are partially overlapped,
In the entire region of the pressure measurement range of the gauge, adds the output signal of the pressure measuring unit for the same atmosphere, a vacuum gauge, characterized in that a calculation unit for calculating a pressure measurement signal by multiplying or division operations .
請求項1に記載の真空計において、
前記演算部による演算値と圧力値との関係の特性データに基づいて、前記演算部にて算出された圧力測定信号を圧力値に変換し、圧力値として出力する圧力変換部を有することを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to claim 1,
A pressure conversion unit that converts a pressure measurement signal calculated by the calculation unit into a pressure value based on characteristic data of a relationship between a calculation value and a pressure value by the calculation unit and outputs the pressure value as a pressure value. Vacuum gauge.
請求項2に記載の真空計において、
前記圧力変換部は、前記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、実測定時における演算値から圧力値への変換を行うことを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to claim 2 ,
The said pressure conversion part performs the conversion from the calculated value at the time of an actual measurement to a pressure value by the conversion means provided with the memory | storage part which stored the data table of the said characteristic data, The vacuum gauge characterized by the above-mentioned.
請求項に記載の真空計において、
前記圧力変換部は、前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、実測定時における演算値から圧力値への変換を行うことを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to claim 2 ,
The pressure conversion unit performs conversion from a calculated value to a pressure value at the time of actual measurement by a conversion unit including a storage unit that stores a relational expression approximately obtained from the curve of the characteristic data. Vacuum gauge.
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、
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るとともに、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,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成し、
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、
前記真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する各圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部を設けた
ことを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 4 ,
A vibration body, a vibration electrode unit that drives the vibration body by electrostatic force, and a drive signal generation unit that generates a drive signal to vibrate the vibration body, and the drive signal is supplied to the vibration electrode unit. A vacuum gauge provided with a pressure measuring unit that applies pressure to hold the vibrating body in a resonance state and measures the pressure of the atmosphere from the vibration characteristics of the vibrating body,
A plurality of the vibrators are provided in a common atmosphere in the vacuum gauge, each of the pressure ranges that can be measured by the vibrators is different, and the pressure ranges are partially overlapped.
A plurality of the pressure measuring units are provided corresponding to the vibrating bodies,
A vacuum gauge comprising a calculation unit that calculates a pressure measurement signal by adding, multiplying, or dividing an output signal of each pressure measurement unit for the same atmosphere in all the pressure measurement ranges of the vacuum gauge.
請求項5に記載の真空計において、
前記各振動体は、厚さ、梁の長さ、材質もしくは面積の少なくとも1つが異なることにより測定できる圧力範囲が異なることを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to claim 5 ,
Each of the vibrators has a different pressure range that can be measured when at least one of thickness, beam length, material, or area is different .
請求項5または6に記載の真空計において、
前記圧力測定部は、前記振動体の振動を検出する振動検出部を有するものであり、
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。
The vacuum gauge according to claim 5 or 6,
The pressure measurement unit includes a vibration detection unit that detects vibration of the vibrating body,
The drive signal generation unit generates a drive signal for exciting the vibrating body by changing the phase of the detection signal and amplifying the detection signal based on the detection signal of the vibration detection unit. Total.
請求項7に記載の真空計において、
前記圧力測定部は、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を備えるとともに、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、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 claim 7 ,
The pressure measurement unit includes a vibration electrode unit including a pair of vibration electrodes disposed along the vibration direction on both sides of the vibration body, and a phase shift circuit that changes a phase of a detection signal of the vibration detection unit; A drive signal generation unit comprising an amplifier that amplifies the output signal of the phase shift circuit and an inversion circuit that inverts the phase of the output signal of the amplifier, as a drive signal having a reverse phase based on the detection signal of the vibration detection unit A vacuum gauge that maintains a resonance state of a vibrating body by applying output signals of the inverting circuit and the amplifier to the set of excitation electrodes, respectively .
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、
第1の振動方向と該第1の振動方向に直交する第2の振動方向とに振動することができるように形成された振動体と、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真空計であって、
前記加振電極部として、前記振動体を第1および第2の振動方向にそれぞれ振動させるための第1および第2の加振電極部を備え、
前記振動検出部として、前記振動体の第1および第2の振動方向の振動をそれぞれ検出する第1および第2の振動検出部を備え、
第1の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第1の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第1の振動方向に振動させて圧力を測定する第1の圧力測定部と、
第2の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第2の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第2の振動方向に振動させて圧力を測定する第2の圧力測定部とを備え、
前記第1および第2の圧力測定部により前記振動体を第1および第2の振動方向に同時に振動させて各振動方向での各圧力測定を同時に行うようにし、
前記第1および第2の圧力測定部により測定することができる圧力範囲を異ならせ,かつ,前記圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成し、
前記真空計の圧力測定範囲の全領域において、同じ雰囲気に対する前記第1および第2の圧力測定部の出力信号を加算、乗算もしくは除算演算して圧力測定信号を算出する演算部を設けた
ことを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 4 ,
A vibrator configured to vibrate in a first vibration direction and a second vibration direction orthogonal to the first vibration direction, and an excitation electrode unit that drives the vibration body by electrostatic force; A vibration detection unit that detects the vibration of the vibration body, and a drive signal that generates a drive signal for exciting the vibration body by changing the phase of the detection signal and amplifying the detection signal based on the detection signal of the vibration detection unit A vacuum gauge that measures the pressure of the atmosphere from the vibration characteristics of the vibrating body by holding the vibrating body in a resonance state by applying the drive signal to the excitation electrode unit,
As the excitation electrode unit, provided with first and second excitation electrode units for causing the vibrating body to vibrate in first and second vibration directions, respectively.
The vibration detection unit includes first and second vibration detection units that detect vibrations in the first and second vibration directions of the vibrating body, respectively.
A first pressure measurement unit that measures a pressure by vibrating the vibrating body in a first vibration direction by applying a drive signal based on a detection signal of the first vibration detection unit to the first excitation electrode unit. When,
A second pressure measurement unit that measures a pressure by vibrating the vibrating body in a second vibration direction by applying a drive signal based on the detection signal of the second vibration detection unit to the second excitation electrode unit. And
The first and second pressure measuring units simultaneously vibrate the vibrating body in the first and second vibration directions to simultaneously measure each pressure in each vibration direction;
The pressure ranges that can be measured by the first and second pressure measuring units are different, and the pressure ranges are partially overlapped,
A calculation unit is provided for calculating the pressure measurement signal by adding, multiplying, or dividing the output signals of the first and second pressure measurement units for the same atmosphere in the entire pressure measurement range of the vacuum gauge. A characteristic vacuum gauge.
請求項に記載の真空計において、
前記第1の加振電極部として、前記振動体の両側に第1の振動方向に沿って設置された第1および第2の加振電極から成る1組の加振電極を備えるとともに、前記第2の加振電極部として、前記振動体の両側に第2の振動方向に沿って設置された第3および第4の加振電極から成る1組の加振電極を備え、
前記駆動信号生成部は、前記第1および第2の振動検出部の各検出信号の位相をそれぞれ変化させる第1および第2の位相シフト回路と、該第1および第2の位相シフト回路の各出力信号をそれぞれ増幅する第1および第2の増幅器と、該第1および第2の増幅器の各出力信号の位相をそれぞれ反転させる第1および第2の反転回路と、を有し、
第1の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第1の反転回路および前記第1の増幅器の各出力信号を前記第1および第2の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第1の振動方向における共振状態を保持するとともに、
第2の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第2の反転回路および前記第2の増幅器の各出力信号を前記第3および第4の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第2の振動方向における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 claim 9 ,
The first excitation electrode unit includes a pair of excitation electrodes including first and second excitation electrodes disposed along the first vibration direction on both sides of the vibrating body. As two excitation electrode portions, a set of excitation electrodes composed of third and fourth excitation electrodes installed along the second vibration direction on both sides of the vibrating body,
The drive signal generation unit includes first and second phase shift circuits that change phases of detection signals of the first and second vibration detection units, and each of the first and second phase shift circuits. First and second amplifiers for respectively amplifying output signals; and first and second inversion circuits for inverting the phases of the output signals of the first and second amplifiers, respectively.
Applying output signals of the first inversion circuit and the first amplifier to the first and second excitation electrodes, respectively, as drive signals having opposite phases based on the detection signal of the first vibration detection unit And maintaining the resonance state in the first vibration direction of the vibrator,
Applying the output signals of the second inversion circuit and the second amplifier to the third and fourth excitation electrodes, respectively, as drive signals having opposite phases based on the detection signal of the second vibration detection unit The vacuum gauge is characterized in that the resonance state in the second vibration direction of the vibrating body is maintained .
請求項7ないし10のいずれか1項に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、前記駆動信号の電圧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、前記振動検出部の検出信号の大きさに基づいて圧力を測定することを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to any one of claims 7 to 10 ,
The drive signal generation unit adjusts an amplification gain for a signal obtained by changing the phase of the detection signal of the vibration detection unit so that the voltage of the drive signal is constant,
The vacuum gauge according to claim 1, wherein the pressure measuring unit measures pressure based on a magnitude of a detection signal of the vibration detecting unit .
請求項ないし10のいずれか1項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。
The vacuum gauge according to any one of claims 7 to 10 ,
The drive signal generation unit adjusts an amplification gain for 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 vacuum gauge , wherein the pressure measuring unit measures pressure based on a voltage of the drive signal .
請求項ないし12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ことを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to any one of claims 7 to 12 ,
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 .
請求項7ないし13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。
The vacuum gauge according to any one of claims 7 to 13,
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 .
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