真空計
【課題】従来より広い範囲の気体の圧力を十分な精度で測定することができるようにした真空計を提供する。
【解決手段】振動体４と、振動体４と対向して静電力により振動体４を駆動する加振電極５と、振動体４と対向する検出電極６と、振動体４と検出電極６との間の静電容量を検知することにより振動体４の振動を検出する振動検出部と、振動体４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、前記駆動信号を加振電極５に印加し振動体４を共振状態に保持して、振動体４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において、圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体４と検出電極６との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる構成とする。
【解決手段】振動体４と、振動体４と対向して静電力により振動体４を駆動する加振電極５と、振動体４と対向する検出電極６と、振動体４と検出電極６との間の静電容量を検知することにより振動体４の振動を検出する振動検出部と、振動体４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、前記駆動信号を加振電極５に印加し振動体４を共振状態に保持して、振動体４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において、圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体４と検出電極６との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体を利用した真空計に関し、特に、広い範囲の気体の圧力を測定することができるようにした真空計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、音叉型振動体を利用して雰囲気の圧力を測定する真空センサが知られている（特許文献１参照）。音叉型振動体を利用して雰囲気の圧力を測定する原理は、振動体を振動させ、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。振動体の加振には静電力を利用し、振動体と振動検出電極との電極間距離の変化に対応する静電容量の変化を検出することで振動体の振動を検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１３７５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共振状態における振動体の振幅Aは、振動特性の1つであるQ値と下記の式（１）の関係がある。
【０００５】
【数１】
【０００６】
ここで、F０は振動体に印加した駆動力、Mは振動体の質量、ωＲは振動体の固有角周波数である。また、Q値とは、共振のピークの鋭さを表す無次元数であり、Q値が高い振動体ほど1周期の間に系から散逸するエネルギーが小さい。すなわち、同じ駆動力F０を印加したときQ値が低い振動体はQ値が高い振動体と比較して散逸するエネルギーが大きいため振幅Aは小さくなる。振動体は様々な要因によってエネルギーを散逸し、振動体のQ値は低下する。例えば、気体の抵抗によってエネルギーを散逸し、振動体のQ値は低下する。分子流領域においては、気体の抵抗によって制限されるQ値であるQＡは下記の式（２）で与えられる。
【０００７】
【数２】
【０００８】
ここで、C０は振動体の形状に依存する係数である。式（２）より、気体の圧力Pが高いほど振動体のQ値は低下するため、振動体のQ値を測定することで気体の圧力を測定することが可能である。しかし、振動体は気体の抵抗以外の要因によってもエネルギーを散逸し、振動体のQ値が低下する。その1つとして電気的にエネルギーを散逸することが知られている。静電容量の変化から振動体の振幅を測定する場合、振動体と検出電極との間に電位差ΔEを印加されており、振動体が振動することによる静電容量の変化に応じた電流IＭが流れる。そして、この電流IＭは下記の式（３）で示される。
【０００９】
【数３】
【００１０】
ここで、ΔEは振動体と振動検出電極との間の電位差、CＭは振動体と振動検出電極との間の静電容量である。この電流IＭを電圧などの他の物理量に変換することで振動体の振動を検出する。しかし、この電流IＭとシリコンの配線抵抗などの抵抗成分RＭによって損失が発生する。その結果、振動体のエネルギーが散逸され、振動体のQ値が低下する。一般的に、この電気的な損失によって制限されるQ値であるQＥは下記の式（４）で与えられる。
【００１１】
【数４】
【００１２】
ここで、ε０は誘電率、Sは電極の面積、dは振動状態での中立位置における振動体と振動検出電極との間の距離である。このように、複数の損失要因が存在する場合、振動体の総合のQ値は下記の式（５）で与えられる。
【００１３】
【数５】
【００１４】
式（５）に示されているように、最もエネルギーを散逸する要因が支配的となる。そのため、気体の抵抗によるエネルギーの損失以外の要因が大きい場合、気体の抵抗以外の要因が支配的となり、気体の圧力と振動体のQ値（総合のQ値）との相関関係がなくなることにより、気体の圧力を測定することができなくなる。図１３はQＡおよびQＥのみを考慮した場合における振動体のQ値と圧力との関係を示す図である。気体の抵抗によるエネルギーの散逸が支配的な圧力領域（より圧力が高い領域）では圧力Pに反比例して振動体のQ値（総合のQ値）は低下する。すなわち、振動体のQ値（総合のQ値）から気体の圧力を測定することが可能である。一方、気体の圧力に依存しないQＥが支配的な圧力領域（より圧力が低い領域）では気体の圧力Pに関係なく振動体のQ値（総合のQ値）は概ね一定値となり、この圧力領域では気体の圧力を測定することができない。
【００１５】
このように、振動体を利用した従来の真空計では、測定可能な圧力領域を低圧側に広げる上で、上述のような「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」に起因する限界が有った。
【００１６】
本発明は、上記した課題を解決して、従来より広い範囲の気体の圧力を十分な精度で測定することができるようにした真空計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の真空計は、振動体と、該振動体と対向して静電力により振動体を駆動する加振電極と、該振動体と対向する検出電極と、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振動体の振動を検出する振動検出部と、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、前記駆動信号を加振電極に印加し振動体を共振状態に保持して、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において、圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、該圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる、ことを特徴とする（請求項１の発明）。
【００１８】
上記請求項１の発明によれば、圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベル（P）を基準圧力レベル（PＳ）と比較する圧力レベル判定部を有するとともに、該圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）を可変する電位差変更手段を備えるようにしている。
【００１９】
これにより、測定圧力レベル（P）が基準圧力レベル（PＳ）未満である領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）をより小さく設定することで「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」の値を高くすることによって、気体の圧力と振動体のQ値（総合のQ値）と間の相関関係がより低圧側でも良好になるようにすることができ、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることができるようになる。なお、本発明における振動検出部は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振動体の振動を検出する方式であり、その振動検出の精度は振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）と静電容量の変化量とに依存する。この点において、圧力が低い領域では振動体のQ値が高いため振幅が大きく静電容量の変化量が十分に大きいことから、振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）が小さい状態であっても、振動体の振動を十分な精度で検出することができる。
【００２０】
一方、測定圧力レベル（P）が基準圧力レベル（PＳ）以上である領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）をより大きく設定することで振動検出の精度をより高くして圧力測定の精度を向上させることができるようになる。なお、圧力が高い領域では、「気体の抵抗によって制限されるQ値（QＡ）」が「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」に対して十分低いため、振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）をより大きく設定することによって「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」が低くなることによる影響は小さいものとすることができる。
【００２１】
また、上記請求項１に記載の真空計において、前記電位差変更手段は、測定圧力レベルが基準圧力レベル以上のとき、測定圧力レベルが基準圧力レベル未満のときに対して、上記電位差をより大きくする構成とすることができる（請求項２の発明）。
【００２２】
また、上記請求項１または２に記載の真空計において、振動検出部における静電容量検出回路の検出バイアス電圧を生成する検出バイアス電圧生成部を備え、前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて検出バイアス電圧を可変することにより検出電極の電位を可変する構成とすることができる（請求項３の発明）。
【００２３】
上記請求項３の発明のように、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて検出バイアス電圧（VＲ）を可変することによって、振動体と検出電極との間の電位差(ΔE＝VＲ−VＢ)を可変することができる。
【００２４】
また、上記請求項１または２に記載の真空計において、振動体に印加される振動体バイアス電圧を生成する振動体バイアス電圧生成部を備え、前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体バイアス電圧を可変することにより振動体の電位を可変する構成とすることができる（請求項４の発明）。
【００２５】
上記請求項４の発明のように、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体バイアス電圧（ＶＢ）を可変することによっても、振動体と検出電極との間の電位差(ΔE＝VＲ−VＢ) を可変することができる。
【００２６】
また、上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、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振動体を加振する駆動信号を生成する構成とすることができる（請求項５の発明）。
【００２７】
また、上記請求項５に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、駆動信号の電圧が一定となるように、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、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ことができる（請求項６の発明）。
【００２８】
また、上記請求項５に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、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、駆動信号の電圧に基づいて圧力を測定する構成とすることができる（請求項７の発明）。
【００２９】
また、上記請求項５ないし７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、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るとともに、振動体の初期駆動時には、前記駆動信号として、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、初期励振信号に基づく初期駆動信号を加振電極に印加する構成とすることができる（請求項８の発明）。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、圧力が低い領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差をより小さく設定することで「電気的な損失によって制限されるQ値」を高くすることによって、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることができるとともに、圧力が高い領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差をより大きく設定することで振動検出の感度をより高くして圧力測定の精度を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例１に係る真空計の機構部分を成す振動体の平面図である。
【図２】図１に示す構造体の側面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例１における圧力変換回路の出力電圧と圧力との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例１における検出バイアス電圧、振動体バイアス電圧と圧力との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例１における振動体のQ値と圧力との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例１における振動体の振幅と圧力との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例１における容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施例２における検出バイアス電圧、振動体バイアス電圧と圧力との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２における振動体の振幅と圧力との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施例２における容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係を示す図である。
【図１３】従来技術における振動体のQ値と圧力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を図１〜図１２に示す実施例に基づいて説明する。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。
［本発明の実施形態］
【実施例１】
【００３３】
本発明の実施例１は、振動体4と検出電極6との間の電位差ΔEを可変する電位差変更方式として、特に、振動検出部における容量電圧変換回路7（静電容量検出回路）の検出バイアス電圧VＲを可変するようにしたものである。
【００３４】
（イ）真空計の機構部分を成す構造体の構成：
まず、実施例１に係る真空計の機構部分を成す構造体について説明する。図１は、本発明の実施例１に係る真空計の機構部分を成す振動体を模式的に示す平面図であり、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よりなる振動体4と、振動体4を加振するための加振電極5と、振動体4の振動を検出するための振動検出電極6とから構成されている。そして、加振電極5は振動体4と対向して配置され、加振電極5に駆動信号を印加することによって静電力により振動体4が駆動される。また、振動検出電極6も振動体4と対向して配置され、振動体4と検出電極6との間の静電容量を検知することによって振動体4の振動が検出される。なお、図１〜２に示す構造体は、振動体4が加振電極5と対向する位置を，振動体4が振動検出電極6と対向する位置よりも振動体固定部3に近い位置としてなる構成とされているが、本発明における構造体の構成は上記構成に限定されるものではない。
【００３５】
（ロ）真空計の回路構成：
次に、実施例１に係る真空計の回路構成について説明する。図３は本発明の実施例１に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、図１〜２と同一の符号は図１〜２と同一名称の部分を示す。図３に示されるように、実施例１に係る真空計の回路は、振動体4と振動検出電極6との間の静電容量の変化を電圧の変化に変換する容量電圧変換回路7、容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡを気体の圧力Pに対応した電圧信号である圧力測定信号VＰに変換する圧力変換回路10、上記振動検出信号VＣＡの位相をシフトする位相シフト回路8、増幅のゲインの調整により位相シフト回路8の出力信号VＣＡＰの電圧を制御し駆動信号VＡＰとして加振電極5に出力する電圧制御回路9、圧力変換回路10の出力電圧VＰ（圧力測定信号VＰの電圧）と基準電圧源12の電圧VＳとを比較するとともに比較結果に基づき圧力レベル判定信号S1を出力する電圧比較回路11、振動体4を初期加振するための初期励振信号VＡＩを生成する初期加振用信号源19、加振電極5に印加する駆動信号を選択するスイッチ回路18、振動体4に印加される振動体バイアス電圧VＢを生成する振動体バイアス電圧源13から構成される。
【００３６】
容量電圧変換回路7は、真空計の振動検出部における静電容量検出回路として振動検出電極6に接続され、振動体4が振動することによる振動体4と振動検出電極6との間の静電容量の変化を電圧の変化に変換し、振動検出信号VＣＡとして出力するものであり、図３にはチャージアンプとしての回路構成例が示されている。図３において、容量電圧変換回路7は、差動増幅器14、抵抗15、キャパシタ16、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じた検出バイアス電圧VＲを出力する検出バイアス電圧源17から構成されている。そして、容量電圧変換回路7において、抵抗15とキャパシタ16との並列回路が差動増幅器14の反転入力端子と出力端子との間に接続されるとともに、検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲが差動増幅器14の非反転入力端子に印加されており、これにより、振動検出電極6の電圧VＤも検出バイアス電圧VＲと同じ電圧となっている。また、検出バイアス電圧源17は、電圧比較器11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VＲを可変する機能を有する構成となっている。なお、本発明における容量電圧変換回路は、図３の構成に限定されるものではない。
【００３７】
（ハ）振動体の加振動作：
次に、実施例１における駆動信号生成部からの駆動信号による振動体4の加振動作について説明する。図３において、振動体4が初期加振される場合、スイッチ回路18はAとBとが接続され、加振電極5に印加する駆動信号VＯとして初期加振信号VＡＩが選択された状態となっている。この初期加振状態では、初期加振用信号源19より振動体4の固有振動数ｆＲに対応した周波数の正弦波電圧信号、もしくは、上記固有周波数ｆＲに対応した繰り返し周波数のパルス電圧信号からなる初期加振信号VＡＩが出力され、この初期加振信号VＡＩが駆動信号VＯとして加振電極5に印加されることにより振動体4が加振される。初期加振用信号源19は初期加振にのみ使用され、振動体4が振動し始めた後は、スイッチ回路18が切り替えられ、AとCとが接続される。
【００３８】
そして、スイッチ回路18のAとCとが接続され、加振電極5に印加する駆動信号VＯとして電圧制御回路9からの駆動信号VＡＰが選択された状態において、振動検出部における容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡに基づき、この振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトし、位相シフト回路8の出力信号VＣＡＰの電圧を電圧制御回路9における増幅のゲインの調整により制御することによって生成した駆動信号VＡＰを駆動信号VＯとして加振電極5に印加することで振動体4の共振状態を保持する。
【００３９】
なお、スイッチ回路18は、上述のように、振動体4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4の振幅A、すなわち、振動体4の変位に応じて出力される容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさが予め設定した値に到達したことを図示されないスイッチ回路用制御部で検出し、その検出タイミングで前記スイッチ回路用制御部からスイッチ回路18にB側からC側への切替信号を与えることにより、振動体4の振幅に応じた接続切り替え動作を行うことができる。
【００４０】
（ニ）圧力変換回路の出力特性：
次に、実施例１における圧力変換回路10の出力特性について説明する。図４は、本発明における圧力変換回路10の直流出力電圧VＰ（圧力測定信号VＰの電圧）と気体の圧力Pとの関係図であり、圧力Pが高くなるに従い、出力電圧VＰも高くなる。なお、図４は圧力変換回路10の出力特性の一例を示すものであり、圧力Pが高くなるに従い、出力電圧VＰは低くなるような出力特性としても良い。また、圧力変換回路10は、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換える機能を備えている。
【００４１】
（ホ）圧力測定動作：
次に、実施例1における圧力測定動作は、例えば加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VＣＡＰに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VＰに変換することにより圧力Pを測定する方式（駆動電圧一定方式）とすることができる。
【００４２】
なお、上述の駆動電圧一定方式における振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）から圧力P値（圧力測定信号VＰ）への変換方法としては、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）をQ値に変換し，さらに，このQ値を圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよく、また、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）を，Q値を介さないで，直接的に圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよい。
【００４３】
（ヘ）検出バイアス電圧の切り替え動作：
次に、実施例1における検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲの切り替え動作について説明する。図５は本発明の実施例１における検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲ、振動体バイアス電圧源13から出力される振動体バイアス電圧VＢと圧力Pとの関係を示す図である。なお、ここでは、圧力変換回路10の出力特性が上述の図４のような特性であるものとする。
【００４４】
気体の圧力Pが基準圧力レベルPＳ（例えばPＳ＝１Pa）であるときに圧力変換回路10の出力電圧VＰがVＳである場合、基準電圧源12の出力電圧をVＳに設定する。電圧比較回路11において圧力変換回路10の出力電圧VＰと基準電圧源12の出力電圧VＳとを比較し、その圧力レベル判定結果がVＰ＜VＳ（すなわちP＜PＳ）である場合、検出バイアス電圧VＲをVＲ＝VＲ１とする。このときの振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE１は、下記の式（６）で示される。
【００４５】
【数６】
【００４６】
一方、圧力レベル判定結果がVＰ≧VＳ（すなわちP≧PＳ）である場合、下記の式（７）〜（８）に示すように、検出バイアス電圧VＲをVＲ＝VＲ２として、振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE２がΔE１に対してn倍（ここでｎ＞１）となるようにする。
【００４７】
【数７】
【００４８】
【数８】
【００４９】
このように、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1（圧力レベル判定結果）に応じて振動体4と振動検出電極6との電位差ΔEを基準圧力レベルPＳを境にして切り替える。なお、図５ではVＲ＞VＢとなるような構成を示しているが、VＲ＜VＢとなるような構成としてもよい。
【００５０】
（ト）振動体のQ値と圧力との関係：
次に、実施例１における振動体のQ値と圧力Pとの関係について説明する。図６は、本発明の実施例１における振動体のQ値と圧力との関係を示す図であって、一例として、電位差ΔE２を電位差ΔE１に対して7倍（n=7、ΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V）に設定した条件での関係を示すものである。図６において、ΔE＝ΔE１である場合は実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は破線で示した特性となる。
【００５１】
なお、電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）に関する上述の式（４）において、下記の式（９）に示される条件では、ΔE＝ΔE１である場合はQＥ≒112500、ΔE＝ΔE２である場合はQＥ≒2300である。
【００５２】
【数９】
【００５３】
そして、ΔE＝ΔE１である場合、QＥがより高いため、図６に示されるように、ΔE＝ΔE２である場合と比較して、より低い圧力まで測定可能である。
（チ）振動体の振幅と圧力との関係：
次に、実施例1における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を説明する。図７は、本発明の実施例１における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を示す図である。振動体4の振幅Aは上述の式（１）で表される。また、一般的に駆動力F０は、加振電極に印加される駆動信号の電圧V０と振動体バイアス電圧VＢとの積に比例し、下記の式（１０）で示される。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
例えば、上述のように、圧力測定動作として、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なう方式（駆動電圧一定方式）を適用する場合、駆動信号の電圧V０が一定であるとともに、実施例１では圧力Pの全領域において振動体バイアス電圧VＢも一定であるため、圧力Pの全領域において駆動力F０は一定となる。このとき、ΔE＝ΔE１である場合は図７（ａ）における実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図７（ａ）における破線で示した特性となる。ここで、図７（ａ）および後述の図７（ｂ）の縦軸「振幅（ｍ）」における「１．００Ｅ−１０」〜「１．００Ｅ−０４」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−１０」〜「１．００×１０−４」を示すものである。
【００５６】
なお、共振状態における振動体4の振幅Aに関する上述の式（１）に示されているように、駆動力F０が一定の条件では、振動体4のQが等しい場合、振動体4の振幅Aも等しくなる。このため、圧力が高い領域、すなわち基準圧力レベルPＳ（例えば１Pa）以上の領域では、振動体4のQ値（総合のQ値）をもたらす複数の損失要因のうち気体の抵抗によるエネルギーの散逸が支配的であることにより、電位差条件（ΔE１およびΔE２のいずれであるか）に関わらず、振動体4のQ値（総合のQ値）がほぼ同等となり、振動体4の振幅Aは概ね一致している。
【００５７】
そして、式（１）において下記の式（１１）に示される条件では、検出バイアス電圧VＲを切り替える基準圧力レベルPＳを例えば１Paとすると、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−振幅A特性は、図７（ｂ）における実線で示した特性となる。
【００５８】
【数１１】
【００５９】
（リ）容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係：
次に、実施例１における容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡ（振動検出信号VＣＡの電圧）と圧力Pとの関係について説明する。図８は、本発明の実施例１における容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡと圧力との関係を示す図である。振動体4と振動検出電極6との間の距離に対して振動体4の振幅Aが十分に小さい場合、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡは振動体4の振幅Aに概ね比例する。また、電圧VＣＡは振動体4と振動検出電極6との間の電位差ΔEにも比例する。そのため、比例定数をmとすると、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡは下記の式（１２）で表すことができる。
【００６０】
【数１２】
【００６１】
電位差ΔEがΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V（n=7）となるように検出バイアス電圧VＲをそれぞれ設定すると、ΔE＝ΔE１である場合は図８（ａ）における実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図８（ａ）における破線で示した特性となる。ここで、図８（ａ）および後述の図８（ｂ）の縦軸「出力電圧（Ｖ）」における「１．００Ｅ−０７」〜「１．００Ｅ＋００」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−７」〜「１．００×１００」を示すものである。
【００６２】
上述の圧力P−振幅A特性は、図７（ａ）に示されるように、基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）以上の領域では、電位差条件（ΔE１およびΔE２のいずれかであるか）に関わらず振動体4の振幅Aが概ね一致する特性となっているが、圧力P−出力電圧VＣＡ特性は、図８（ａ）に示されるように、基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）以上の領域では、ΔE＝ΔE２である場合はΔE＝ΔE１である場合と比較して容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡが高くなる特性となっている。
【００６３】
そして、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性は、図８（ｂ）における実線で示した特性となる。
なお、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性が図８（ｂ）に示されるように基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）で切り替わることに対応するため、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡに応じた直流電圧VＰを出力する圧力変換回路10では、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換えて、圧力測定範囲の全体にわたって圧力Pに比例した直流電圧VＰが圧力測定信号として出力されるようにする。
【００６４】
（ヌ）このように、実施例１においては、検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧ＶＲを基準圧力レベルP＝PＳで切り替えることによって、圧力が高い領域（P≧PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が低い領域（P＜PＳである状態）より大きく設定することで、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡをより高くし、振動検出の感度をより高くして圧力測定の精度を向上させることが可能となる。
【００６５】
（ル）また、実施例１においては、圧力が低い領域（P＜PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が高い領域（P≧PＳである状態）より小さく設定することで、上記（ト）項で述べたように「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」をより高くすることができ、これにより、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることが可能となる。
【実施例２】
【００６６】
本発明の実施例２は、上述の実施例１とは異なり、振動体4と検出電極6との間の電位差ΔEを可変する電位差変更方式として、特に、振動体4に印加される振動体バイアス電圧VＢを可変するようにしたものである。
【００６７】
（イ）真空計の機構部分を成す構造体の構成：
まず、実施例２に係る真空計の機構部分を成す構造体は、上述の図１〜２で説明した実施例１における構造体と同様の構成とすることができる。
【００６８】
（ロ）真空計の回路構成：
次に、実施例２に係る真空計の回路構成について説明する。図９は本発明の実施例２に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、図３と同一の符号は同一名称の部分を示す。図９においては、図３と比較して、図３のように電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲを可変する代わりに、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢを可変する点が異なっており、その他の点は図３と同様である。なお、図９における振動体バイアス電圧源13Aは、図３における振動体バイアス電圧源13とは異なり、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VＢを可変する機能を有する構成となっている。また、図９における検出バイアス電圧源17Aには、図３における検出バイアス電圧源17とは異なり、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VＲを可変する機能は不要である。
【００６９】
（ハ）振動体の加振動作：
次に、実施例２における駆動信号生成部からの駆動信号による振動体4の加振動作は、実施例1における加振動作と同様に行う。
【００７０】
（ニ）圧力変換回路の出力特性：
次に、実施例２における圧力変換回路10の出力特性、すなわち直流出力電圧VＰ（圧力測定信号VＰの電圧）と気体の圧力Pとの関係は、実施例1の場合（図４）と同様とする。また、実施例１と同様に、圧力変換回路10は、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換える機能を備えている。
【００７１】
（ホ）圧力測定動作：
次に、実施例２における圧力測定動作は、実施例１と同様に、例えば、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VＣＡＰに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VＰに変換することにより圧力Pを測定する方式（駆動電圧一定方式）とすることができる。
【００７２】
なお、上述の駆動電圧一定方式における振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）から圧力P値（圧力測定信号VＰ）への変換方法としては、実施例１と同様に、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）をQ値に変換し，さらに，このQ値を圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよく、また、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）を，Q値を介さないで，直接的に圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよい。
【００７３】
（へ）振動体バイアス電圧の切り替え動作：
次に、実施例２における振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢの切り替え動作について説明する。図１０は本発明の実施例２における検出バイアス電圧源17Aから出力される検出バイアス電圧VＲ、振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢと圧力Pとの関係を示す図である。なお、ここでは、圧力変換回路10の出力特性が上述の図４のような特性であるものとする。
【００７４】
実施例１の場合と同様に、気体の圧力Pが基準圧力レベルPＳ（例えばPＳ＝１Pa）であるときに圧力変換回路10の出力電圧VＰがVＳである場合、基準電圧源12の出力電圧をVＳに設定する。電圧比較回路11において圧力変換回路10の出力電圧VＰと基準電圧源12の出力電圧VＳとを比較し、その圧力レベル判定結果がVＰ＜VＳ（すなわちP＜PＳ）である場合、振動体バイアス電圧VＢをVＢ＝VＢ１とする。このときの振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE１は、下記の式（１３）で表される。
【００７５】
【数１３】
【００７６】
一方、圧力レベル判定結果がVＰ≧VＳ（すなわちP≧PＳ）である場合は、下記の式（１４）〜（１５）に示すように、振動体バイアス電圧VＢをVＢ＝VＢ２として、振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE２がΔE１に対してn倍（ここでｎ＞１）となるようにする。
【００７７】
【数１４】
【００７８】
【数１５】
【００７９】
このように、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1（圧力レベル判定結果）に応じて振動体4と振動検出電極6との電位差ΔEの絶対値の大きさを基準圧力レベルPＳを境にして切り替える。なお、図１０ではVＲ＞VＢとなるような構成を示しているが、VＲ＜VＢとなるような構成としてもよい。
【００８０】
（ト）振動体のQ値と圧力との関係：
次に、実施例２における振動体のQ値と圧力Pとの関係は、ΔE１およびΔE２を実施例1の場合と同様に設定すると、実施例１と同様に上述の図６に示したようになる。そして、実施例２でも、実施例１と同様に、ΔE＝ΔE１である場合、QＥがより高いため、図６に示されるように、ΔE＝ΔE２である場合と比較して、より低い圧力まで測定可能である。
【００８１】
（チ）振動体の振幅と圧力との関係：
次に、実施例２における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を説明する。図１１は本発明の実施例２における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を示す図である。振動体4の振幅Aは上述の式（１）で表される。また、上述の式（１０）で示したように、一般的に駆動力F０は、加振電極に印加する電圧V０と振動体バイアス電圧VＢとの積に比例する。
【００８２】
例えば、上述のように、圧力測定動作として、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なう方式（駆動電圧一定方式）を適用する場合、駆動信号の電圧V０は一定であるが、実施例２では圧力Pの領域に応じて振動体バイアス電圧VＢを切り替えるため、振幅Aも切り替わることになる。
【００８３】
例えば、VＲ＝0V、VＢ１＝−0.5V、VＢ２＝−3.5V（ΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V）、PＳ＝１Paとすると、ΔE＝ΔE１である場合は図１１（ａ）における実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図１１（ａ）における破線で示した特性となる。なお、図１１（ａ）および後述の図１１（ｂ）の縦軸「振幅（ｍ）」における「１．００Ｅ−１０」〜「１．００Ｅ−０４」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−１０」〜「１．００×１０−４」を示すものである。
【００８４】
ここで、共振状態における振動体4の振幅Aに関する上述の式（１）に示されているように、振動体4の振幅Aは駆動力F０とQ値との積に比例する。このため、圧力が高い領域、すなわち基準圧力レベルPＳ（例えば１Pa）以上の領域では、振動体4のQ値（総合のQ値）をもたらす複数の損失要因のうち気体の抵抗によるエネルギーの散逸が支配的であることにより、電位差条件（ΔE１およびΔE２のいずれであるか）に関わらず、振動体4のQ値はほぼ同等となるが、ΔE＝ΔE２である場合の方が振動体バイアス電圧VＢの絶対値が大きい（すなわち｜VＢ１｜＜｜VＢ２｜である）ことにより駆動力F０が大きくなるため、振幅Aも大きくなる。
【００８５】
そして、振動体バイアス電圧VＢを切り替える基準圧力レベルPＳを例えば１Paとすると、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−振幅A特性は、図１１（ｂ）における実線で示した特性となる。
【００８６】
（リ）容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係
次に、実施例２における容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡ（振動検出信号VＣＡの電圧）と圧力Pとの関係について説明する。図１２は、本発明の実施例２における容量電圧変換回路の出力電圧VＣＡと圧力との関係を示す図である。実施例２における振動体4の振幅Aと容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡとの関係は実施例１と同様に上述の式（１２）で表される。
【００８７】
上記（チ）項に記載の条件、すなわち、VＲ＝0V、VＢ１＝−0.5V、VＢ２＝−3.5V（ΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V）、PＳ＝１Paの条件では、ΔE＝ΔE１である場合は図１２（ａ）における実線で示したような特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図１２（ａ）における破線で示したような特性となる。なお、図１２（ａ）および後述の図１２（ｂ）の縦軸「出力電圧（Ｖ）」における「１．００Ｅ−０７」〜「１．００Ｅ＋００」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−７」〜「１．００×１００」を示すものである。
【００８８】
実施例２では、出力電圧VＣＡに関する上述の式（１２）において、ΔＥ＝ΔＥ２である場合における振動体バイアス電圧VＢの設定条件として、特にVＢの絶対値がΔＥ＝ΔＥ１である場合より大きくなるように設定したときには、振動体4の振幅Aも大きくなるため、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡが実施例１の場合と比較してより高くなる。
【００８９】
そして、振動体バイアス電圧VＢを切り替える基準圧力レベルPＳを例えば１Paとすると、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性は、図１２（ｂ）における実線で示した特性となる。
【００９０】
なお、実施例１と同様に、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性が図１２（ｂ）に示されるように基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）で切り替わることに対応するため、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡに応じた直流電圧VＰを出力する圧力変換回路10では、電圧比較器11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換えて、圧力測定範囲の全体にわたって圧力Pに比例した直流電圧VＰが圧力測定信号として出力されるようにする。
【００９１】
（ヌ）このように、実施例２においては、振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢを基準圧力レベルP＝PＳで切り替えることによって、圧力が高い領域（P≧PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が低い領域（P＜PＳである状態）より大きく設定することで、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡをより高くし、振動検出の感度をより高くして圧力測定の精度を向上させることが可能となる。
【００９２】
（ル）また、実施例２においては、圧力が低い領域（P＜PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が高い領域（P≧PＳである状態）より小さく設定することで、実施例１と同様に「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」をより高くすることができ、これにより、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることが可能となる。
（本発明の実施形態における他の構成例）
（イ）なお、上述の実施例１および実施例２では１点の基準圧力レベル（PＳ）で振動体4と振動検出電極6との電位差ΔEを切り替える構成としているが、複数点の基準圧力レベル（PＳ１、PＳ２・・・）でそれぞれ電位差ΔEを切り替える構成とすることも可能である。また、検出バイアス電圧VＲもしくは振動体バイアス電圧VＢを切り替える基準圧力レベル（PＳ）の設定にヒステリシスを持たせることで、基準圧力レベル（PＳ）付近で電圧VＲもしくはVＢが急激に切り替わる動作が頻繁に繰り返すことを防ぐことができる。
【００９３】
（ロ）また、上述の実施例１および実施例２では、圧力測定動作として、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VＣＡＰに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VＰに変換することにより圧力Pを測定する方式（駆動電圧一定方式）を例示している。しかしながら、本発明における圧力測定動作は上記方式に限定されるものではなく、振動体4の振幅A（変位量）に応じた容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡが一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号に対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０に基づいて圧力Pを測定する方式（振幅一定方式）を適用することも可能である。
【００９４】
（ハ）また、上述の実施例１および実施例２では、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差を可変する電位差変更方式として、検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲを切り替える構成、および、振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢを切り替える構成を示したが、本発明における電位差変更方式は、振動体と検出電極との間の電位差をステップ的に切り替える方式に限定されるものではなく、例えば、振動体と検出電極との間の電位差をランプ状に変える方式を適用することもできる。
【符号の説明】
【００９５】
1・・・錘
2・・・梁
3・・・振動体固定部
4・・・振動体
5・・・加振電極
6・・・振動検出電極
7・・・容量電圧変換回路
8・・・位相シフト回路
9・・・電圧制御回路
10・・・圧力変換回路
11・・・電圧比較回路
12・・・基準電圧源
17，17A・・・検出バイアス電圧源
13，13A・・・振動体バイアス電圧源
14・・・差動増幅器
15・・・抵抗
16・・・キャパシタ
18・・・スイッチ回路
19・・・初期加振用信号源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体を利用した真空計に関し、特に、広い範囲の気体の圧力を測定することができるようにした真空計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、音叉型振動体を利用して雰囲気の圧力を測定する真空センサが知られている（特許文献１参照）。音叉型振動体を利用して雰囲気の圧力を測定する原理は、振動体を振動させ、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。振動体の加振には静電力を利用し、振動体と振動検出電極との電極間距離の変化に対応する静電容量の変化を検出することで振動体の振動を検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１３７５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共振状態における振動体の振幅Aは、振動特性の1つであるQ値と下記の式（１）の関係がある。
【０００５】
【数１】
【０００６】
ここで、F０は振動体に印加した駆動力、Mは振動体の質量、ωＲは振動体の固有角周波数である。また、Q値とは、共振のピークの鋭さを表す無次元数であり、Q値が高い振動体ほど1周期の間に系から散逸するエネルギーが小さい。すなわち、同じ駆動力F０を印加したときQ値が低い振動体はQ値が高い振動体と比較して散逸するエネルギーが大きいため振幅Aは小さくなる。振動体は様々な要因によってエネルギーを散逸し、振動体のQ値は低下する。例えば、気体の抵抗によってエネルギーを散逸し、振動体のQ値は低下する。分子流領域においては、気体の抵抗によって制限されるQ値であるQＡは下記の式（２）で与えられる。
【０００７】
【数２】
【０００８】
ここで、C０は振動体の形状に依存する係数である。式（２）より、気体の圧力Pが高いほど振動体のQ値は低下するため、振動体のQ値を測定することで気体の圧力を測定することが可能である。しかし、振動体は気体の抵抗以外の要因によってもエネルギーを散逸し、振動体のQ値が低下する。その1つとして電気的にエネルギーを散逸することが知られている。静電容量の変化から振動体の振幅を測定する場合、振動体と検出電極との間に電位差ΔEを印加されており、振動体が振動することによる静電容量の変化に応じた電流IＭが流れる。そして、この電流IＭは下記の式（３）で示される。
【０００９】
【数３】
【００１０】
ここで、ΔEは振動体と振動検出電極との間の電位差、CＭは振動体と振動検出電極との間の静電容量である。この電流IＭを電圧などの他の物理量に変換することで振動体の振動を検出する。しかし、この電流IＭとシリコンの配線抵抗などの抵抗成分RＭによって損失が発生する。その結果、振動体のエネルギーが散逸され、振動体のQ値が低下する。一般的に、この電気的な損失によって制限されるQ値であるQＥは下記の式（４）で与えられる。
【００１１】
【数４】
【００１２】
ここで、ε０は誘電率、Sは電極の面積、dは振動状態での中立位置における振動体と振動検出電極との間の距離である。このように、複数の損失要因が存在する場合、振動体の総合のQ値は下記の式（５）で与えられる。
【００１３】
【数５】
【００１４】
式（５）に示されているように、最もエネルギーを散逸する要因が支配的となる。そのため、気体の抵抗によるエネルギーの損失以外の要因が大きい場合、気体の抵抗以外の要因が支配的となり、気体の圧力と振動体のQ値（総合のQ値）との相関関係がなくなることにより、気体の圧力を測定することができなくなる。図１３はQＡおよびQＥのみを考慮した場合における振動体のQ値と圧力との関係を示す図である。気体の抵抗によるエネルギーの散逸が支配的な圧力領域（より圧力が高い領域）では圧力Pに反比例して振動体のQ値（総合のQ値）は低下する。すなわち、振動体のQ値（総合のQ値）から気体の圧力を測定することが可能である。一方、気体の圧力に依存しないQＥが支配的な圧力領域（より圧力が低い領域）では気体の圧力Pに関係なく振動体のQ値（総合のQ値）は概ね一定値となり、この圧力領域では気体の圧力を測定することができない。
【００１５】
このように、振動体を利用した従来の真空計では、測定可能な圧力領域を低圧側に広げる上で、上述のような「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」に起因する限界が有った。
【００１６】
本発明は、上記した課題を解決して、従来より広い範囲の気体の圧力を十分な精度で測定することができるようにした真空計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の真空計は、振動体と、該振動体と対向して静電力により振動体を駆動する加振電極と、該振動体と対向する検出電極と、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振動体の振動を検出する振動検出部と、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、前記駆動信号を加振電極に印加し振動体を共振状態に保持して、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において、圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、該圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる、ことを特徴とする（請求項１の発明）。
【００１８】
上記請求項１の発明によれば、圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベル（P）を基準圧力レベル（PＳ）と比較する圧力レベル判定部を有するとともに、該圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）を可変する電位差変更手段を備えるようにしている。
【００１９】
これにより、測定圧力レベル（P）が基準圧力レベル（PＳ）未満である領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）をより小さく設定することで「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」の値を高くすることによって、気体の圧力と振動体のQ値（総合のQ値）と間の相関関係がより低圧側でも良好になるようにすることができ、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることができるようになる。なお、本発明における振動検出部は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振動体の振動を検出する方式であり、その振動検出の精度は振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）と静電容量の変化量とに依存する。この点において、圧力が低い領域では振動体のQ値が高いため振幅が大きく静電容量の変化量が十分に大きいことから、振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）が小さい状態であっても、振動体の振動を十分な精度で検出することができる。
【００２０】
一方、測定圧力レベル（P）が基準圧力レベル（PＳ）以上である領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）をより大きく設定することで振動検出の精度をより高くして圧力測定の精度を向上させることができるようになる。なお、圧力が高い領域では、「気体の抵抗によって制限されるQ値（QＡ）」が「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」に対して十分低いため、振動体と検出電極との間の電位差（ΔE）をより大きく設定することによって「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」が低くなることによる影響は小さいものとすることができる。
【００２１】
また、上記請求項１に記載の真空計において、前記電位差変更手段は、測定圧力レベルが基準圧力レベル以上のとき、測定圧力レベルが基準圧力レベル未満のときに対して、上記電位差をより大きくする構成とすることができる（請求項２の発明）。
【００２２】
また、上記請求項１または２に記載の真空計において、振動検出部における静電容量検出回路の検出バイアス電圧を生成する検出バイアス電圧生成部を備え、前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて検出バイアス電圧を可変することにより検出電極の電位を可変する構成とすることができる（請求項３の発明）。
【００２３】
上記請求項３の発明のように、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて検出バイアス電圧（VＲ）を可変することによって、振動体と検出電極との間の電位差(ΔE＝VＲ−VＢ)を可変することができる。
【００２４】
また、上記請求項１または２に記載の真空計において、振動体に印加される振動体バイアス電圧を生成する振動体バイアス電圧生成部を備え、前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体バイアス電圧を可変することにより振動体の電位を可変する構成とすることができる（請求項４の発明）。
【００２５】
上記請求項４の発明のように、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体バイアス電圧（ＶＢ）を可変することによっても、振動体と検出電極との間の電位差(ΔE＝VＲ−VＢ) を可変することができる。
【００２６】
また、上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、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振動体を加振する駆動信号を生成する構成とすることができる（請求項５の発明）。
【００２７】
また、上記請求項５に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、駆動信号の電圧が一定となるように、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、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ことができる（請求項６の発明）。
【００２８】
また、上記請求項５に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、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、駆動信号の電圧に基づいて圧力を測定する構成とすることができる（請求項７の発明）。
【００２９】
また、上記請求項５ないし７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、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るとともに、振動体の初期駆動時には、前記駆動信号として、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、初期励振信号に基づく初期駆動信号を加振電極に印加する構成とすることができる（請求項８の発明）。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、圧力が低い領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差をより小さく設定することで「電気的な損失によって制限されるQ値」を高くすることによって、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることができるとともに、圧力が高い領域では、電位差変更手段でもって振動体と検出電極との間の電位差をより大きく設定することで振動検出の感度をより高くして圧力測定の精度を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例１に係る真空計の機構部分を成す振動体の平面図である。
【図２】図１に示す構造体の側面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例１における圧力変換回路の出力電圧と圧力との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例１における検出バイアス電圧、振動体バイアス電圧と圧力との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例１における振動体のQ値と圧力との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例１における振動体の振幅と圧力との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例１における容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施例２における検出バイアス電圧、振動体バイアス電圧と圧力との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２における振動体の振幅と圧力との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施例２における容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係を示す図である。
【図１３】従来技術における振動体のQ値と圧力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を図１〜図１２に示す実施例に基づいて説明する。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。
［本発明の実施形態］
【実施例１】
【００３３】
本発明の実施例１は、振動体4と検出電極6との間の電位差ΔEを可変する電位差変更方式として、特に、振動検出部における容量電圧変換回路7（静電容量検出回路）の検出バイアス電圧VＲを可変するようにしたものである。
【００３４】
（イ）真空計の機構部分を成す構造体の構成：
まず、実施例１に係る真空計の機構部分を成す構造体について説明する。図１は、本発明の実施例１に係る真空計の機構部分を成す振動体を模式的に示す平面図であり、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よりなる振動体4と、振動体4を加振するための加振電極5と、振動体4の振動を検出するための振動検出電極6とから構成されている。そして、加振電極5は振動体4と対向して配置され、加振電極5に駆動信号を印加することによって静電力により振動体4が駆動される。また、振動検出電極6も振動体4と対向して配置され、振動体4と検出電極6との間の静電容量を検知することによって振動体4の振動が検出される。なお、図１〜２に示す構造体は、振動体4が加振電極5と対向する位置を，振動体4が振動検出電極6と対向する位置よりも振動体固定部3に近い位置としてなる構成とされているが、本発明における構造体の構成は上記構成に限定されるものではない。
【００３５】
（ロ）真空計の回路構成：
次に、実施例１に係る真空計の回路構成について説明する。図３は本発明の実施例１に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、図１〜２と同一の符号は図１〜２と同一名称の部分を示す。図３に示されるように、実施例１に係る真空計の回路は、振動体4と振動検出電極6との間の静電容量の変化を電圧の変化に変換する容量電圧変換回路7、容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡを気体の圧力Pに対応した電圧信号である圧力測定信号VＰに変換する圧力変換回路10、上記振動検出信号VＣＡの位相をシフトする位相シフト回路8、増幅のゲインの調整により位相シフト回路8の出力信号VＣＡＰの電圧を制御し駆動信号VＡＰとして加振電極5に出力する電圧制御回路9、圧力変換回路10の出力電圧VＰ（圧力測定信号VＰの電圧）と基準電圧源12の電圧VＳとを比較するとともに比較結果に基づき圧力レベル判定信号S1を出力する電圧比較回路11、振動体4を初期加振するための初期励振信号VＡＩを生成する初期加振用信号源19、加振電極5に印加する駆動信号を選択するスイッチ回路18、振動体4に印加される振動体バイアス電圧VＢを生成する振動体バイアス電圧源13から構成される。
【００３６】
容量電圧変換回路7は、真空計の振動検出部における静電容量検出回路として振動検出電極6に接続され、振動体4が振動することによる振動体4と振動検出電極6との間の静電容量の変化を電圧の変化に変換し、振動検出信号VＣＡとして出力するものであり、図３にはチャージアンプとしての回路構成例が示されている。図３において、容量電圧変換回路7は、差動増幅器14、抵抗15、キャパシタ16、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じた検出バイアス電圧VＲを出力する検出バイアス電圧源17から構成されている。そして、容量電圧変換回路7において、抵抗15とキャパシタ16との並列回路が差動増幅器14の反転入力端子と出力端子との間に接続されるとともに、検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲが差動増幅器14の非反転入力端子に印加されており、これにより、振動検出電極6の電圧VＤも検出バイアス電圧VＲと同じ電圧となっている。また、検出バイアス電圧源17は、電圧比較器11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VＲを可変する機能を有する構成となっている。なお、本発明における容量電圧変換回路は、図３の構成に限定されるものではない。
【００３７】
（ハ）振動体の加振動作：
次に、実施例１における駆動信号生成部からの駆動信号による振動体4の加振動作について説明する。図３において、振動体4が初期加振される場合、スイッチ回路18はAとBとが接続され、加振電極5に印加する駆動信号VＯとして初期加振信号VＡＩが選択された状態となっている。この初期加振状態では、初期加振用信号源19より振動体4の固有振動数ｆＲに対応した周波数の正弦波電圧信号、もしくは、上記固有周波数ｆＲに対応した繰り返し周波数のパルス電圧信号からなる初期加振信号VＡＩが出力され、この初期加振信号VＡＩが駆動信号VＯとして加振電極5に印加されることにより振動体4が加振される。初期加振用信号源19は初期加振にのみ使用され、振動体4が振動し始めた後は、スイッチ回路18が切り替えられ、AとCとが接続される。
【００３８】
そして、スイッチ回路18のAとCとが接続され、加振電極5に印加する駆動信号VＯとして電圧制御回路9からの駆動信号VＡＰが選択された状態において、振動検出部における容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡに基づき、この振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトし、位相シフト回路8の出力信号VＣＡＰの電圧を電圧制御回路9における増幅のゲインの調整により制御することによって生成した駆動信号VＡＰを駆動信号VＯとして加振電極5に印加することで振動体4の共振状態を保持する。
【００３９】
なお、スイッチ回路18は、上述のように、振動体4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4の振幅A、すなわち、振動体4の変位に応じて出力される容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさが予め設定した値に到達したことを図示されないスイッチ回路用制御部で検出し、その検出タイミングで前記スイッチ回路用制御部からスイッチ回路18にB側からC側への切替信号を与えることにより、振動体4の振幅に応じた接続切り替え動作を行うことができる。
【００４０】
（ニ）圧力変換回路の出力特性：
次に、実施例１における圧力変換回路10の出力特性について説明する。図４は、本発明における圧力変換回路10の直流出力電圧VＰ（圧力測定信号VＰの電圧）と気体の圧力Pとの関係図であり、圧力Pが高くなるに従い、出力電圧VＰも高くなる。なお、図４は圧力変換回路10の出力特性の一例を示すものであり、圧力Pが高くなるに従い、出力電圧VＰは低くなるような出力特性としても良い。また、圧力変換回路10は、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換える機能を備えている。
【００４１】
（ホ）圧力測定動作：
次に、実施例1における圧力測定動作は、例えば加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VＣＡＰに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VＰに変換することにより圧力Pを測定する方式（駆動電圧一定方式）とすることができる。
【００４２】
なお、上述の駆動電圧一定方式における振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）から圧力P値（圧力測定信号VＰ）への変換方法としては、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）をQ値に変換し，さらに，このQ値を圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよく、また、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）を，Q値を介さないで，直接的に圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよい。
【００４３】
（ヘ）検出バイアス電圧の切り替え動作：
次に、実施例1における検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲの切り替え動作について説明する。図５は本発明の実施例１における検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲ、振動体バイアス電圧源13から出力される振動体バイアス電圧VＢと圧力Pとの関係を示す図である。なお、ここでは、圧力変換回路10の出力特性が上述の図４のような特性であるものとする。
【００４４】
気体の圧力Pが基準圧力レベルPＳ（例えばPＳ＝１Pa）であるときに圧力変換回路10の出力電圧VＰがVＳである場合、基準電圧源12の出力電圧をVＳに設定する。電圧比較回路11において圧力変換回路10の出力電圧VＰと基準電圧源12の出力電圧VＳとを比較し、その圧力レベル判定結果がVＰ＜VＳ（すなわちP＜PＳ）である場合、検出バイアス電圧VＲをVＲ＝VＲ１とする。このときの振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE１は、下記の式（６）で示される。
【００４５】
【数６】
【００４６】
一方、圧力レベル判定結果がVＰ≧VＳ（すなわちP≧PＳ）である場合、下記の式（７）〜（８）に示すように、検出バイアス電圧VＲをVＲ＝VＲ２として、振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE２がΔE１に対してn倍（ここでｎ＞１）となるようにする。
【００４７】
【数７】
【００４８】
【数８】
【００４９】
このように、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1（圧力レベル判定結果）に応じて振動体4と振動検出電極6との電位差ΔEを基準圧力レベルPＳを境にして切り替える。なお、図５ではVＲ＞VＢとなるような構成を示しているが、VＲ＜VＢとなるような構成としてもよい。
【００５０】
（ト）振動体のQ値と圧力との関係：
次に、実施例１における振動体のQ値と圧力Pとの関係について説明する。図６は、本発明の実施例１における振動体のQ値と圧力との関係を示す図であって、一例として、電位差ΔE２を電位差ΔE１に対して7倍（n=7、ΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V）に設定した条件での関係を示すものである。図６において、ΔE＝ΔE１である場合は実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は破線で示した特性となる。
【００５１】
なお、電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）に関する上述の式（４）において、下記の式（９）に示される条件では、ΔE＝ΔE１である場合はQＥ≒112500、ΔE＝ΔE２である場合はQＥ≒2300である。
【００５２】
【数９】
【００５３】
そして、ΔE＝ΔE１である場合、QＥがより高いため、図６に示されるように、ΔE＝ΔE２である場合と比較して、より低い圧力まで測定可能である。
（チ）振動体の振幅と圧力との関係：
次に、実施例1における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を説明する。図７は、本発明の実施例１における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を示す図である。振動体4の振幅Aは上述の式（１）で表される。また、一般的に駆動力F０は、加振電極に印加される駆動信号の電圧V０と振動体バイアス電圧VＢとの積に比例し、下記の式（１０）で示される。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
例えば、上述のように、圧力測定動作として、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なう方式（駆動電圧一定方式）を適用する場合、駆動信号の電圧V０が一定であるとともに、実施例１では圧力Pの全領域において振動体バイアス電圧VＢも一定であるため、圧力Pの全領域において駆動力F０は一定となる。このとき、ΔE＝ΔE１である場合は図７（ａ）における実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図７（ａ）における破線で示した特性となる。ここで、図７（ａ）および後述の図７（ｂ）の縦軸「振幅（ｍ）」における「１．００Ｅ−１０」〜「１．００Ｅ−０４」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−１０」〜「１．００×１０−４」を示すものである。
【００５６】
なお、共振状態における振動体4の振幅Aに関する上述の式（１）に示されているように、駆動力F０が一定の条件では、振動体4のQが等しい場合、振動体4の振幅Aも等しくなる。このため、圧力が高い領域、すなわち基準圧力レベルPＳ（例えば１Pa）以上の領域では、振動体4のQ値（総合のQ値）をもたらす複数の損失要因のうち気体の抵抗によるエネルギーの散逸が支配的であることにより、電位差条件（ΔE１およびΔE２のいずれであるか）に関わらず、振動体4のQ値（総合のQ値）がほぼ同等となり、振動体4の振幅Aは概ね一致している。
【００５７】
そして、式（１）において下記の式（１１）に示される条件では、検出バイアス電圧VＲを切り替える基準圧力レベルPＳを例えば１Paとすると、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−振幅A特性は、図７（ｂ）における実線で示した特性となる。
【００５８】
【数１１】
【００５９】
（リ）容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係：
次に、実施例１における容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡ（振動検出信号VＣＡの電圧）と圧力Pとの関係について説明する。図８は、本発明の実施例１における容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡと圧力との関係を示す図である。振動体4と振動検出電極6との間の距離に対して振動体4の振幅Aが十分に小さい場合、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡは振動体4の振幅Aに概ね比例する。また、電圧VＣＡは振動体4と振動検出電極6との間の電位差ΔEにも比例する。そのため、比例定数をmとすると、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡは下記の式（１２）で表すことができる。
【００６０】
【数１２】
【００６１】
電位差ΔEがΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V（n=7）となるように検出バイアス電圧VＲをそれぞれ設定すると、ΔE＝ΔE１である場合は図８（ａ）における実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図８（ａ）における破線で示した特性となる。ここで、図８（ａ）および後述の図８（ｂ）の縦軸「出力電圧（Ｖ）」における「１．００Ｅ−０７」〜「１．００Ｅ＋００」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−７」〜「１．００×１００」を示すものである。
【００６２】
上述の圧力P−振幅A特性は、図７（ａ）に示されるように、基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）以上の領域では、電位差条件（ΔE１およびΔE２のいずれかであるか）に関わらず振動体4の振幅Aが概ね一致する特性となっているが、圧力P−出力電圧VＣＡ特性は、図８（ａ）に示されるように、基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）以上の領域では、ΔE＝ΔE２である場合はΔE＝ΔE１である場合と比較して容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡが高くなる特性となっている。
【００６３】
そして、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性は、図８（ｂ）における実線で示した特性となる。
なお、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性が図８（ｂ）に示されるように基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）で切り替わることに対応するため、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡに応じた直流電圧VＰを出力する圧力変換回路10では、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換えて、圧力測定範囲の全体にわたって圧力Pに比例した直流電圧VＰが圧力測定信号として出力されるようにする。
【００６４】
（ヌ）このように、実施例１においては、検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧ＶＲを基準圧力レベルP＝PＳで切り替えることによって、圧力が高い領域（P≧PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が低い領域（P＜PＳである状態）より大きく設定することで、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡをより高くし、振動検出の感度をより高くして圧力測定の精度を向上させることが可能となる。
【００６５】
（ル）また、実施例１においては、圧力が低い領域（P＜PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が高い領域（P≧PＳである状態）より小さく設定することで、上記（ト）項で述べたように「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」をより高くすることができ、これにより、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることが可能となる。
【実施例２】
【００６６】
本発明の実施例２は、上述の実施例１とは異なり、振動体4と検出電極6との間の電位差ΔEを可変する電位差変更方式として、特に、振動体4に印加される振動体バイアス電圧VＢを可変するようにしたものである。
【００６７】
（イ）真空計の機構部分を成す構造体の構成：
まず、実施例２に係る真空計の機構部分を成す構造体は、上述の図１〜２で説明した実施例１における構造体と同様の構成とすることができる。
【００６８】
（ロ）真空計の回路構成：
次に、実施例２に係る真空計の回路構成について説明する。図９は本発明の実施例２に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、図３と同一の符号は同一名称の部分を示す。図９においては、図３と比較して、図３のように電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲを可変する代わりに、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢを可変する点が異なっており、その他の点は図３と同様である。なお、図９における振動体バイアス電圧源13Aは、図３における振動体バイアス電圧源13とは異なり、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VＢを可変する機能を有する構成となっている。また、図９における検出バイアス電圧源17Aには、図３における検出バイアス電圧源17とは異なり、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VＲを可変する機能は不要である。
【００６９】
（ハ）振動体の加振動作：
次に、実施例２における駆動信号生成部からの駆動信号による振動体4の加振動作は、実施例1における加振動作と同様に行う。
【００７０】
（ニ）圧力変換回路の出力特性：
次に、実施例２における圧力変換回路10の出力特性、すなわち直流出力電圧VＰ（圧力測定信号VＰの電圧）と気体の圧力Pとの関係は、実施例1の場合（図４）と同様とする。また、実施例１と同様に、圧力変換回路10は、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換える機能を備えている。
【００７１】
（ホ）圧力測定動作：
次に、実施例２における圧力測定動作は、実施例１と同様に、例えば、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VＣＡＰに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VＰに変換することにより圧力Pを測定する方式（駆動電圧一定方式）とすることができる。
【００７２】
なお、上述の駆動電圧一定方式における振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）から圧力P値（圧力測定信号VＰ）への変換方法としては、実施例１と同様に、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）をQ値に変換し，さらに，このQ値を圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよく、また、振動体の振幅A（振動検出信号VＣＡの大きさ）を，Q値を介さないで，直接的に圧力P値（圧力測定信号VＰ）に変換するようにしてもよい。
【００７３】
（へ）振動体バイアス電圧の切り替え動作：
次に、実施例２における振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢの切り替え動作について説明する。図１０は本発明の実施例２における検出バイアス電圧源17Aから出力される検出バイアス電圧VＲ、振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢと圧力Pとの関係を示す図である。なお、ここでは、圧力変換回路10の出力特性が上述の図４のような特性であるものとする。
【００７４】
実施例１の場合と同様に、気体の圧力Pが基準圧力レベルPＳ（例えばPＳ＝１Pa）であるときに圧力変換回路10の出力電圧VＰがVＳである場合、基準電圧源12の出力電圧をVＳに設定する。電圧比較回路11において圧力変換回路10の出力電圧VＰと基準電圧源12の出力電圧VＳとを比較し、その圧力レベル判定結果がVＰ＜VＳ（すなわちP＜PＳ）である場合、振動体バイアス電圧VＢをVＢ＝VＢ１とする。このときの振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE１は、下記の式（１３）で表される。
【００７５】
【数１３】
【００７６】
一方、圧力レベル判定結果がVＰ≧VＳ（すなわちP≧PＳ）である場合は、下記の式（１４）〜（１５）に示すように、振動体バイアス電圧VＢをVＢ＝VＢ２として、振動体4と振動検出電極6との電位差ΔE２がΔE１に対してn倍（ここでｎ＞１）となるようにする。
【００７７】
【数１４】
【００７８】
【数１５】
【００７９】
このように、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1（圧力レベル判定結果）に応じて振動体4と振動検出電極6との電位差ΔEの絶対値の大きさを基準圧力レベルPＳを境にして切り替える。なお、図１０ではVＲ＞VＢとなるような構成を示しているが、VＲ＜VＢとなるような構成としてもよい。
【００８０】
（ト）振動体のQ値と圧力との関係：
次に、実施例２における振動体のQ値と圧力Pとの関係は、ΔE１およびΔE２を実施例1の場合と同様に設定すると、実施例１と同様に上述の図６に示したようになる。そして、実施例２でも、実施例１と同様に、ΔE＝ΔE１である場合、QＥがより高いため、図６に示されるように、ΔE＝ΔE２である場合と比較して、より低い圧力まで測定可能である。
【００８１】
（チ）振動体の振幅と圧力との関係：
次に、実施例２における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を説明する。図１１は本発明の実施例２における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を示す図である。振動体4の振幅Aは上述の式（１）で表される。また、上述の式（１０）で示したように、一般的に駆動力F０は、加振電極に印加する電圧V０と振動体バイアス電圧VＢとの積に比例する。
【００８２】
例えば、上述のように、圧力測定動作として、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なう方式（駆動電圧一定方式）を適用する場合、駆動信号の電圧V０は一定であるが、実施例２では圧力Pの領域に応じて振動体バイアス電圧VＢを切り替えるため、振幅Aも切り替わることになる。
【００８３】
例えば、VＲ＝0V、VＢ１＝−0.5V、VＢ２＝−3.5V（ΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V）、PＳ＝１Paとすると、ΔE＝ΔE１である場合は図１１（ａ）における実線で示した特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図１１（ａ）における破線で示した特性となる。なお、図１１（ａ）および後述の図１１（ｂ）の縦軸「振幅（ｍ）」における「１．００Ｅ−１０」〜「１．００Ｅ−０４」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−１０」〜「１．００×１０−４」を示すものである。
【００８４】
ここで、共振状態における振動体4の振幅Aに関する上述の式（１）に示されているように、振動体4の振幅Aは駆動力F０とQ値との積に比例する。このため、圧力が高い領域、すなわち基準圧力レベルPＳ（例えば１Pa）以上の領域では、振動体4のQ値（総合のQ値）をもたらす複数の損失要因のうち気体の抵抗によるエネルギーの散逸が支配的であることにより、電位差条件（ΔE１およびΔE２のいずれであるか）に関わらず、振動体4のQ値はほぼ同等となるが、ΔE＝ΔE２である場合の方が振動体バイアス電圧VＢの絶対値が大きい（すなわち｜VＢ１｜＜｜VＢ２｜である）ことにより駆動力F０が大きくなるため、振幅Aも大きくなる。
【００８５】
そして、振動体バイアス電圧VＢを切り替える基準圧力レベルPＳを例えば１Paとすると、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−振幅A特性は、図１１（ｂ）における実線で示した特性となる。
【００８６】
（リ）容量電圧変換回路の出力電圧と圧力との関係
次に、実施例２における容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡ（振動検出信号VＣＡの電圧）と圧力Pとの関係について説明する。図１２は、本発明の実施例２における容量電圧変換回路の出力電圧VＣＡと圧力との関係を示す図である。実施例２における振動体4の振幅Aと容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡとの関係は実施例１と同様に上述の式（１２）で表される。
【００８７】
上記（チ）項に記載の条件、すなわち、VＲ＝0V、VＢ１＝−0.5V、VＢ２＝−3.5V（ΔE１＝0.5V、ΔE２＝3.5V）、PＳ＝１Paの条件では、ΔE＝ΔE１である場合は図１２（ａ）における実線で示したような特性となり、ΔE＝ΔE２である場合は図１２（ａ）における破線で示したような特性となる。なお、図１２（ａ）および後述の図１２（ｂ）の縦軸「出力電圧（Ｖ）」における「１．００Ｅ−０７」〜「１．００Ｅ＋００」との各目盛数値の記載は、それぞれ「１．００×１０−７」〜「１．００×１００」を示すものである。
【００８８】
実施例２では、出力電圧VＣＡに関する上述の式（１２）において、ΔＥ＝ΔＥ２である場合における振動体バイアス電圧VＢの設定条件として、特にVＢの絶対値がΔＥ＝ΔＥ１である場合より大きくなるように設定したときには、振動体4の振幅Aも大きくなるため、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡが実施例１の場合と比較してより高くなる。
【００８９】
そして、振動体バイアス電圧VＢを切り替える基準圧力レベルPＳを例えば１Paとすると、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性は、図１２（ｂ）における実線で示した特性となる。
【００９０】
なお、実施例１と同様に、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VＣＡ特性が図１２（ｂ）に示されるように基準圧力レベルPＳ（＝１Pa）で切り替わることに対応するため、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡに応じた直流電圧VＰを出力する圧力変換回路10では、電圧比較器11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換えて、圧力測定範囲の全体にわたって圧力Pに比例した直流電圧VＰが圧力測定信号として出力されるようにする。
【００９１】
（ヌ）このように、実施例２においては、振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢを基準圧力レベルP＝PＳで切り替えることによって、圧力が高い領域（P≧PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が低い領域（P＜PＳである状態）より大きく設定することで、容量電圧変換回路7の出力電圧VＣＡをより高くし、振動検出の感度をより高くして圧力測定の精度を向上させることが可能となる。
【００９２】
（ル）また、実施例２においては、圧力が低い領域（P＜PＳである状態）では、電位差ΔEを圧力が高い領域（P≧PＳである状態）より小さく設定することで、実施例１と同様に「電気的な損失によって制限されるQ値（QＥ）」をより高くすることができ、これにより、測定できる圧力の範囲をより低圧側に広げることが可能となる。
（本発明の実施形態における他の構成例）
（イ）なお、上述の実施例１および実施例２では１点の基準圧力レベル（PＳ）で振動体4と振動検出電極6との電位差ΔEを切り替える構成としているが、複数点の基準圧力レベル（PＳ１、PＳ２・・・）でそれぞれ電位差ΔEを切り替える構成とすることも可能である。また、検出バイアス電圧VＲもしくは振動体バイアス電圧VＢを切り替える基準圧力レベル（PＳ）の設定にヒステリシスを持たせることで、基準圧力レベル（PＳ）付近で電圧VＲもしくはVＢが急激に切り替わる動作が頻繁に繰り返すことを防ぐことができる。
【００９３】
（ロ）また、上述の実施例１および実施例２では、圧力測定動作として、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０が一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VＣＡＰに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VＰに変換することにより圧力Pを測定する方式（駆動電圧一定方式）を例示している。しかしながら、本発明における圧力測定動作は上記方式に限定されるものではなく、振動体4の振幅A（変位量）に応じた容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡが一定となるように，容量電圧変換回路7からの振動検出信号VＣＡの位相を位相シフト回路8でシフトした信号に対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V０に基づいて圧力Pを測定する方式（振幅一定方式）を適用することも可能である。
【００９４】
（ハ）また、上述の実施例１および実施例２では、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差を可変する電位差変更方式として、検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VＲを切り替える構成、および、振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VＢを切り替える構成を示したが、本発明における電位差変更方式は、振動体と検出電極との間の電位差をステップ的に切り替える方式に限定されるものではなく、例えば、振動体と検出電極との間の電位差をランプ状に変える方式を適用することもできる。
【符号の説明】
【００９５】
1・・・錘
2・・・梁
3・・・振動体固定部
4・・・振動体
5・・・加振電極
6・・・振動検出電極
7・・・容量電圧変換回路
8・・・位相シフト回路
9・・・電圧制御回路
10・・・圧力変換回路
11・・・電圧比較回路
12・・・基準電圧源
17，17A・・・検出バイアス電圧源
13，13A・・・振動体バイアス電圧源
14・・・差動増幅器
15・・・抵抗
16・・・キャパシタ
18・・・スイッチ回路
19・・・初期加振用信号源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体と、該振動体と対向して静電力により振動体を駆動する加振電極と、該振動体と対向する検出電極と、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振動体の振動を検出する振動検出部と、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、前記駆動信号を加振電極に印加し振動体を共振状態に保持して、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において、
圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、該圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる
ことを特徴とする真空計。
【請求項２】
請求項１に記載の真空計において、
前記電位差変更手段は、測定圧力レベルが基準圧力レベル以上のとき、測定圧力レベルが基準圧力レベル未満のときに対して、上記電位差をより大きくすることを特徴とする真空計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の真空計において、
振動検出部における静電容量検出回路の検出バイアス電圧を生成する検出バイアス電圧生成部を備え、
前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて検出バイアス電圧を可変することにより検出電極の電位を可変することを特徴とする真空計。
【請求項４】
請求項１または２に記載の真空計において、
振動体に印加される振動体バイアス電圧を生成する振動体バイアス電圧生成部を備え、
前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体バイアス電圧を可変することにより振動体の電位を可変することを特徴とする真空計。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、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振動体を加振する駆動信号を生成することを特徴とする真空計。
【請求項６】
請求項５に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、駆動信号の電圧が一定となるように、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、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。
【請求項７】
請求項５に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、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、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。
【請求項８】
請求項５ないし７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、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るとともに、振動体の初期駆動時には、前記駆動信号として、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、初期励振信号に基づく初期駆動信号を加振電極に印加することを特徴とする真空計。
【請求項１】
振動体と、該振動体と対向して静電力により振動体を駆動する加振電極と、該振動体と対向する検出電極と、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振動体の振動を検出する振動検出部と、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、前記駆動信号を加振電極に印加し振動体を共振状態に保持して、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において、
圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、該圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる
ことを特徴とする真空計。
【請求項２】
請求項１に記載の真空計において、
前記電位差変更手段は、測定圧力レベルが基準圧力レベル以上のとき、測定圧力レベルが基準圧力レベル未満のときに対して、上記電位差をより大きくすることを特徴とする真空計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の真空計において、
振動検出部における静電容量検出回路の検出バイアス電圧を生成する検出バイアス電圧生成部を備え、
前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて検出バイアス電圧を可変することにより検出電極の電位を可変することを特徴とする真空計。
【請求項４】
請求項１または２に記載の真空計において、
振動体に印加される振動体バイアス電圧を生成する振動体バイアス電圧生成部を備え、
前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体バイアス電圧を可変することにより振動体の電位を可変することを特徴とする真空計。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、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振動体を加振する駆動信号を生成することを特徴とする真空計。
【請求項６】
請求項５に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、駆動信号の電圧が一定となるように、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、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。
【請求項７】
請求項５に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、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、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。
【請求項８】
請求項５ないし７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、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るとともに、振動体の初期駆動時には、前記駆動信号として、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、初期励振信号に基づく初期駆動信号を加振電極に印加することを特徴とする真空計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１９６８３１（Ｐ２０１１−１９６８３１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６４１２１（Ｐ２０１０−６４１２１）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]