(57)【要約】【課題】  音叉型水晶振動子の温度を極めて効率よく一定に制御することで、温度校正のためのデータ収集工数や演算回路をなくして、コストダウンを図ることができる水晶式気体圧力計を提供すること。【解決手段】  それぞれ矩形断面の２つの腕部３２Ａ，３２Ｂとそれを連結する基部３４とを有する音叉型水晶振動子３０を含み、音叉型水晶振動子の固有共振抵抗Ｚ０と、測定された共振抵抗Ｚとの差ΔＺから、気体の圧力を測定する水晶式気体圧力計１である。この圧力計１は、音叉型水晶振動子３０の２つの腕部３２Ａ，３２Ｂ及び基部３４の表面に互いに絶縁して形成された第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂと、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂ及び基部３４の少なくとも一つの表面３２Ａ３，３２Ｂ３に形成され、かつ、少なくとも一つの表面３２Ａ３，３２Ｂ３に形成された第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂの一方または双方と互いに絶縁して形成された発熱抵抗体パターン７２とを有する。【選択図】      図５
2008164541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ矩形断面の２つの腕部と、前記２つの腕部を連結する矩形断面の基部とを有する音叉型水晶振動子を含み、前記音叉型水晶振動子の固有共振抵抗と、測定された共振抵抗との差から、気体の圧力を測定する水晶式気体圧力計において、
前記音叉型水晶振動子の前記２つの腕部及び前記基部の表面に互いに絶縁して形成された第１，第２の電極パターンと、
前記２つの腕部及び前記基部の４面のうちの少なくとも一つの表面に形成され、かつ、前記少なくとも一つの表面に形成された前記第１，第２の電極パターンの一方または双方と互いに絶縁して形成された発熱抵抗体パターンと、
を有し、
前記発熱抵抗体パターンにより前記音叉型水晶振動子を一定温度に保持することを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項２】
請求項１において、
前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成するケース本体と、
前記音叉型水晶振動子に接続される電極と、
前記電極を気密シールして保持し、かつ、前記電極に接続された前記水晶振動子を前記部屋内に配置して、前記ケース本体に対して気密シールされて支持される気密シール体と、
前記気密シール体と共に前記電極に接続された前記水晶振動子を包囲して測定室を形成し、かつ、前記測定室と前記気体の雰囲気と連通させるフィルタ部材と、
をさらに有し、
前記電極は、前記第１，第２の電極パターンに接続された第１，第２の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第３，第４の電極と、を含むことを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項３】
請求項１において、
前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成する金属製のケース本体と、
前記水晶振動子に接続される電極と、
前記電極を気密シールして保持する、絶縁体にて形成された第１シール体と、
前記第１のシール体を気密に内挿支持して、前記ケース本体内に配置される金属製の筒体と、
前記金属製筒体と前記ケース本体とを気密シールする第２シール体と、
前記金属製筒体に保持され、前記電極及びそれに接続された前記水晶振動子を包囲して測定室を形成し、かつ、前記測定室と前記気体の雰囲気と連通させる金属製のフィルタ部材と、
をさらに有し、
前記電極は、前記第１，第２の電極パターンに接続された第１，第２の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第３，第４の電極と、を含むことを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記音叉型水晶振動子は、発振周波数が温度に対して直線的に変化する感温振動子であり、
前記発振周波数を測定する周波数測定手段と、
前記周波数測定手段からの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路と、
をさらに有することを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記音叉型水晶振動子の一端に接続され、前記音叉型水晶振動子を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、
前記音叉型水晶振動子の他端に接続された減衰器と、
前記減衰器からの電流を整流する第１の全波整流器と、
前記第１の全波整流器からの電圧と基準電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力電圧に基づいて、前記減衰器の出力をさらに減衰する電圧制御減衰器と、
前記電圧制御減衰器及び前記電流電圧変換器の加算出力を整流する第２の全波整流器と、
をさらに有することを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の水晶式気体圧力計が、大気−真空に設定される領域の圧力を測定することを特徴とする真空装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶式気体圧力計及びそれを用いた真空装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、音叉型水晶振動子（以下、振動子ともいう）を用いて主として大気圧以下の圧力を測定する方法が知られている（特許文献１）。これは、振動子の共振抵抗が、分子流領域では圧力に比例して増加し、粘性流領域では圧力の１／２乗に比例して増加するという、振動子の持つ優れた特徴を利用したものである。
【０００３】
大気圧から１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ台までの広い圧力範囲での測定が可能なことから、有力な圧力測定手段として認められている。
【０００４】
この振動子を用いた測定方法では、圧力を測定すべき空間に振動子を配置し、発振回路を介して振動子を振動させ、その共振抵抗Ｚを求める。この測定された共振抵抗Ｚと、固有共振抵抗Ｚ０（高真空における値）との差ΔＺ（＝Ｚ−Ｚ０）から、気体の圧力を測定するようにしている。
【０００５】
この測定方法では、一般に測定中の振動子の温度が不定であるので、低い圧力側で測定誤差が大きくなり、正確な圧力測定ができないという問題があった。
【０００６】
固有共振抵抗Ｚ０は、広い温度範囲（−２０〜＋６０℃）において数ｋΩしか変化しない。これに対して、差ΔＺは１０−１〜１０−２Ｔｏｒｒの領域では数ｋΩ程度、１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ領域では数１０Ω程度と、圧力が低くなるに従って差ΔＺが小さくなる。つまり、温度によって変化する振動子の固有共振抵抗Ｚ０の変化が無視できなくなる。そして、このことが、振動子を用いて圧力測定する際の圧力範囲の測定限界となっていた。
【０００７】
本願出願人は、音叉型水晶振動子の共振周波数ｆを測定し、その共振周波数ｆから音叉型水晶振動子の温度Ｔを求め、温度Ｔにおける固有共振周波数（Ｚ０＋Ｚｔ）と共振抵抗Ｚとの差ΔＺ＝Ｚ−（Ｚ０＋Ｚｔ）から、気体の圧力を測定する方法を提案し、特許を得ている（特許文献２）。
【０００８】
上記の方法は、測定中の振動子の温度に基づく誤差をなくし、正確な圧力を測定できるという効果がある。
【０００９】
ただし、共振周波数ｆと温度Ｔとの相関データや、温度Ｔと固有共振周波数（Ｚ０＋Ｚｔ）との相関に基づいて圧力を演算することから、個々の水晶振動子についての相関データのデータ収集工数と演算回路の分だけコストアップするという課題を有していた。
【００１０】
ここで、上述の測定方法とは異なり、水晶温度センサを用いた熱伝導型真空計（水晶式熱伝導型真空計）が知られている（特許文献３）。
【００１１】
しかし、この測定原理は、真空チャンバー内が減圧されると、気体の密度が小さくなり、熱源から水晶温度センサ（感温型水晶振動子）に伝わる熱量が減少し、結果として水晶温度センサの温度が下がって発振周波数が増加するというものである。逆に、真空チャンバー内が増圧されると、気体の密度が大きくなり、熱源から水晶温度センサに伝わる熱量が増加し、結果として水晶温度センサの温度が上がって発振周波数が減少する。こうして、圧力に依存した気体密度によって熱源からの熱量が増減し、その温度変化に起因した周波数変化に基づいて圧力を測定している。よって、この水晶振動子の熱源は、水晶振動子を一定温度に維持するというものではなく、測定原理として水晶振動子に熱量を与えるために設けられたものである。
【特許文献１】実開昭６４−３８５４７号公報
【特許文献２】特公平７−９７０６０号公報
【特許文献３】特開平１−３１２４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、音叉型水晶振動子の温度を極めて効率よく一定に制御することで、温度校正のためのデータ収集工数や演算回路をなくして、コストダウンを図ることができる水晶式気体圧力計及びそれを用いた真空装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、それぞれ矩形断面の２つの腕部と、前記２つの腕部を連結する矩形断面の基部とを有する音叉型水晶振動子を含み、前記音叉型水晶振動子の固有共振抵抗と、測定された共振抵抗との差から、気体の圧力を測定する水晶式気体圧力計において、
前記音叉型水晶振動子の前記２つの腕部及び前記基部の表面に互いに絶縁して形成された第１，第２の電極パターンと、
前記２つの腕部及び前記基部の４面のうちの少なくとも一つの表面に形成され、かつ、前記少なくとも一つの表面に形成された前記第１，第２の電極パターンの一方または双方と互いに絶縁して形成された発熱抵抗体パターンと、
を有し、
前記発熱抵抗体パターンにより前記音叉型水晶振動子を一定温度に保持することを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様によれば、音叉型水晶振動子の少なくとも一面には、この振動子を発信させるための第１，第２の電極パターンの他、この振動子の温度を一定にするための発熱抵抗体パターンが形成されている。このため、温度依存性を有する水晶振動子の共振抵抗値をほぼ一定にできるので、この共振抵抗値を利用して検出される気体圧力を、大気から高真空に亘って温度校正する必要がなくなる。従って、装置を安価に製造できる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成するケース本体と、
前記音叉型水晶振動子に接続される電極と、
前記電極を気密シールして保持し、かつ、前記電極に接続された前記水晶振動子を前記部屋内に配置して、前記ケース本体に対して気密シールされて支持される気密シール体と、
前記気密シール体と共に前記電極に接続された前記水晶振動子を包囲して測定室を形成し、かつ、前記測定室と前記気体の雰囲気と連通させるフィルタ部材と、
をさらに有し、
前記電極は、前記第１，第２の電極パターンに接続された第１，第２の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第３，第４の電極と、を含むことができる。
【００１６】
フィルタ部材は必ずしも必要はないが、フィルタ部材を設けることで音叉型水晶振動子を保護することができる。
【００１７】
上記の構造に代えて、本発明の一態様では、
前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成する金属製のケース本体と、
前記水晶振動子に接続される電極と、
前記電極を気密シールして保持する、絶縁体にて形成された第１シール体と、
前記第１のシール体を気密に内挿支持して、前記ケース本体内に配置される金属製の筒体と、
前記金属製筒体と前記ケース本体とを気密シールする第２シール体と、
前記金属製筒体に保持され、前記電極及びそれに接続された前記水晶振動子を包囲して測定室を形成し、かつ、前記測定室と前記気体の雰囲気と連通させる金属製のフィルタ部材と、
をさらに有し、
前記電極は、前記第１，第２の電極パターンに接続された第１，第２の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第３，第４の電極と、を含むことができる。
【００１８】
特に、ケース本体及び筒体が接地され、ケース本体と筒体とを第２シール体にて電気的に絶縁する場合には、以下の効果を奏することができる。
【００１９】
ケース本体が装着されるチャンバー内にてＲＦ電力を供給してプラズマを生成する真空装置にあっては、ＲＦノイズによって水晶振動子が悪影響を受ける可能性がある。第２シール体により電気的に絶縁されたケース本体及び筒体を接地すると、フィルタ部材も接地されるので、ケース本体に仮にＲＦノイズが重畳されたとしても、筒体及びフィルタ部材にはＲＦノイズが重畳されないので、ＲＦノイズの悪影響を防止できる。
【００２０】
本発明の一態様では、前記音叉型水晶振動子は、発振周波数が温度に対して直線的に変化する感温振動子であり、前記発振周波数を測定する周波数測定手段と、前記周波数測定手段からの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路と、をさらに有することができる。
【００２１】
感温振動子では、発振周波数が温度に対して直線的に変化するため、水晶振動子の発振周波数を周波数測定手段にて測定すれば、水晶振動子の温度を測定できる。この測定された温度に基づいて、水晶振動子の温度をほぼ一定に制御できる。
【００２２】
これに代えて、本発明の一態様では、前記発熱抵抗体パターンは、キュリー温度を超える温度上昇により急激に抵抗値が大きくなるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficien:正温度特性）発熱抵抗体パターンとすることができる。
【００２３】
こうすると、ＰＴＣ発熱抵抗体パターンヒータに電源さえ接続すれば、正温度特性の発熱抵抗体パターンは、キュリー温度を超える温度上昇により急激に抵抗値が大きくなって電流が減少して発熱量が低下し、逆に、温度の下降により抵抗値が小さくなって電流が増大して発熱量も増大するので、水晶振動子をほぼ一定温度に自己制御できる。
【００２４】
本発明の一態様では、前記音叉型水晶振動子の一端に接続され、前記音叉型水晶振動子を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、
前記音叉型水晶振動子の他端に接続された減衰器と、
前記減衰器からの電流を整流する第１の全波整流器と、
前記第１の全波整流器からの電圧と基準電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力電圧に基づいて、前記減衰器の出力をさらに減衰する電圧制御減衰器と、
前記電圧制御減衰器及び前記電流電圧変換器の加算出力を整流する第２の全波整流器と、
をさらに有することができる。
【００２５】
こうすると、水晶振動子の共振抵抗をＺとすると、第２の全波整流器の出力として（１／Ｚ）が出力され、既知である水晶振動子の固有共振抵抗Ｚ０と、測定された共振抵抗Ｚの差ΔＺ（＝Ｚ−Ｚ０）から気体の圧力を測定できる。
【００２６】
本発明の一態様では、前記音叉型水晶振動子は、共振抵抗が温度によって変化し、
前記ＰＴＣ発熱抵抗体パターンは、温度が上昇するに従い共振抵抗も上昇する正温度特性領域にある温度に設定され、
本発明の他の態様は、上述した水晶式気体圧力計が、大気−真空に設定される領域の圧力を測定する真空装置を定義している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２８】
１．第１実施形態
１．１．圧力計の構造
図１は、本発明の第１実施形態に係る水晶式気体圧力計の断面図である。図１において、この圧力計１は、真空室１０と連通する部屋１２を形成するケース本体２０を有する。音叉型水晶振動子３０は、電極４０に接続されている。電極４０を気密シールして保持し、かつ、電極４０に接続された水晶振動子３０を部屋１２内に配置して、ケース本体２０に対して気密シールされて支持される気密シール構造５０が設けられている。さらに、気密シール構造５０に保持され、電極４０に接続された水晶振動子３０を包囲して測定室６２を形成し、かつ、測定室６２と真空室１０とを連通させるフィルタ部材６０が設けられている。そして、気密シール体５０よりも大気側に配置され、水晶振動子３０を加熱するヒータ７０が設けられている。
【００２９】
ケース本体２０は筒状に形成され、下端フランジ２２が真空室１０の壁部１４に固定される。
【００３０】
気密シール構造５０は、例えば第１シール体５２、金属製筒体５４及び第２シール体５８に３分割されている。第１シール体５２は、電極４０を気密シールして保持し、かつ電極４０を電気的に絶縁する碍子として機能する。筒体５４は、その内部に第１シール体５２を気密シールにして保持している。この筒体５４の下端にはネジ部５６が形成され、フィルタ部材６０と螺合している。第２シール体５８はリング状に形成され、筒体をケース本体２０内にて気密シールして保持している。この第２シール体５８は、ケース本体２０と筒体５４とがそれぞれ接地される場合に、両者を電気的に絶縁する碍子としても機能する。
【００３１】
真空室１０内にてＲＦプラズマが生成される場合には、ケース本体２０と筒体５４とが接地され、第２シール体５８を絶縁体として、ケース本体２０と筒体５４とを電気的に絶縁することが好ましい。こうすると、フィルタ部材６０も接地される。ＲＦノイズがケース本体２０に重畳したとしても、ケース本体２０と電気的に絶縁された筒体５４及びフィルタ部材６０にＲＦノイズが重畳されることを防止できるからである。これにより、ＲＦノイズから水晶振動子３０をシールドすることができる。
【００３２】
ここで、気密シールの関係から、金属であるケース本体２０及び筒体５４の熱膨張係数と、絶縁体である第１，第２シール体５２，５８の熱膨張係数は、実質的に等しいことが好ましい。熱膨張差により気密シールが破損することを防止できるからである。本実施形態では、ケース本体２０及び筒体５４はコバール金属にて形成され、第１，第２シール体５２，５８はコバールガラス（硼珪酸ガラス）にて形成することで、互いに接触する部材同士の熱膨張係数を同程度にしている。なお、ケース本体２０の下部フランジ２２は異質の材料、例えばフランジとして信頼性の高いステンレスにて形成することができる。
【００３３】
フィルタ部材６０は、部屋１２と測定室６２とを連通させ、かつ、音叉型水晶振動子３０を保護するために、例えばＳＵＳ（ステンレス）焼結体にて形成されている。
【００３４】
なお、図１において、筒体５４を削除してもよい。この場合、第２シール体５８も不要であり、第１シール体（広義には気密シール体）５２がケース本体２０に支持されていればよい。また、この場合、フィルタ部材６０は筒体５４に支持されずに、ケース本体２０に支持されればよい。測定室６２は、フィルタ部材６０と第１シール体５２とで区画される。真空室１０にてＲＦプラズマを生成しない場合には、ＲＦノイズ対策が不要であるからである。また、この場合はフィルタ部材６０も削除してもよいが、フィルタ部材６０を設けることで音叉型水晶振動子３０を保護できる効果がある。
【００３５】
１．２．音叉型水晶振動子の構造
音叉型水晶振動子３０は、図２に示すように、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂと、この２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの一端を連結した基部３４と、を有する。２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの断面幅Ｗ、断面厚ｔ及び長さＬは、共振抵抗Ｚの圧力依存性が大きくなるように設計される。
【００３６】
図３は、図２に示す音叉型水晶振動子３０の２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの断面を模式的に示す。図３に示すように、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂには、図１に示す電極４０のうちの２本の第１，第２の電極４０Ａ，４０Ｂに接続される第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂが形成される。
【００３７】
図３では、腕部３２Ａの２つの表面であって、相対向する幅Ｗの第１，第３の面３２Ａ１，３２Ａ３には、第１の電極パターン７０Ａが形成されている。腕部３２Ａの他の２つの表面であって、相対向する幅ｔの第２，第４の面３２Ａ２，３２Ａ４には、第２の電極パターン７０Ｂが形成されている。
【００３８】
一方、腕部３２Ｂの２つの表面であって、相対向する幅Ｗの第１，第３の面３２Ｂ１，３２Ｂ１３には、第２電極パターン７０Ｂが形成されている。腕部３２Ｂの他の２つの表面であって、相対向する幅ｔの第２，第４の面３２Ｂ２，３２Ｂ４には、第１の電極パターン７０Ａが形成されている。
【００３９】
ただし、図３は第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂと電極４０Ａ，４０Ｂとの接続を模式的に示したもので、実際には図４及び図５に示すように、２つの腕３２Ａ，３２Ｂの各４つの面にて、第１及び第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂの一方または双方が、互いに絶縁された異なる領域に形成されている。
【００４０】
図４は、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂのうち第１の面３２Ａ１，３２Ｂ１を有する面から見た音叉型水晶振動子３０の正面図である。図４において、第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂは互いに逆向きのハッチング領域として区別して示されている。第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂは、音叉型水晶振動子３０の縦中心線に対してなるべく線対称となるようにパターン付けされている。なお、第１の面３２Ａ１，３２Ｂ１以外の他の３面（第２〜第４面）にも、パターン形状は異なるけれども、各面に第１，第２の電極パターン面７０Ａ，７０Ｂの一方または双方が形成され、第１〜第４の面にて第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂがそれぞれ連続して形成される。これにより、第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂは第１〜第４面にて連続するパターンとなり、いずれか各１箇所にて電極４０Ａ，４０Ｂと接続される。
【００４１】
図５は、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂのうち第３の面３２Ａ３，３２Ｂ３を有する面から見た音叉型水晶振動子３０の裏面図である。図５では、腕部３２Ａの第３面３２Ａ３に第１の電極パターン７０Ａが、腕部３２Ｂの第３面３２Ｂ３には第２の電極パターン７０Ｂが形成されている。この第３面３２Ａ３，３２Ｂ３には、第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０の他に、これらパターン７０Ａ，７０Ｂとは絶縁された異なるクロスハッチングにて示す領域に、発熱抵抗体パターン７２が形成されている。
【００４２】
発熱抵抗体パターン７２は、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの第３面３２Ａ３，３２Ｂ３上で連続するパターンとされ、基部３４上に形成されたパターン両端部に電極部７２Ａ，７２Ｂを有する。また、発熱抵抗体パターン７２は、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂの第３面３２Ａ３，３２Ｂ３上にて、実質的に面積が等しくなるように形成されている。なお、本実施形態では、第３面３２Ａ，３２Ｂに発熱抵抗体パターン７２を形成しているが、他の面にも形成してもよいし、第１〜第４面のうちの２面以上の面に発熱抵抗体パターン７２を形成してもよい。
【００４３】
第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０及び発熱抵抗体パターン７２は、フォトリソグラフィ技術により音叉型水晶振動子３０に形成することができる。第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂは例えばクロム（Ｃｒ）にて形成することができ、発熱抵抗体パターン７２は例えばクロム（Ｃｒ）または白金（Ｐｔ）にて形成することができるが、材質はこれらに限定されない。発熱抵抗体パターン７２を二層構造とし、一層目をクロムの発熱用パターンとし、二層目に耐食性の高い白金（Ｐｔ）等を用いて一層目を被覆してもよい。
【００４４】
なお、図４の第１面３２Ａ１，３２Ｂ１に対する第３面３２Ａ３，３２Ｂ３に形成されるパターンとしては、図６または図７とすることもできる。図６及び図７は、２つの腕部３２Ａ，３２Ｂのうち第３の面３２Ａ３，３２Ｂ３を有する面から見た音叉型水晶振動子３０の裏面図である。
【００４５】
図６および図７では、図５とは異なり、第３面３２Ａ３，３２Ｂ３の各面にそれぞれ第１及び第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂが形成されている。図６では、図５とは異なり、基部３４の最端部に第１，第２の電極パターン７０Ａ，７０Ｂが形成されているので、これらを避けた位置に、発熱抵抗体パターン７２の電極７２Ａ，７２Ｂを配置している。図７では、基部３４の最端部に発熱抵抗体パターン７２の電極７２Ａ，７２Ｂを配置している。ただし、発熱抵抗体パターン７２の一方の電極７２Ｂが、第２の電極パターン７０Ｂによって発熱抵抗体パターン７２と連続形成できない。この場合、発熱抵抗体パターン７２に連続形成された他の電極７２Ｃを設け、電極７２Ｂ，７２Ｃをパターン以外の他の配線手段によって配線することができる。
【００４６】
１．３．圧力計の全体ブロック図
図８は、水晶式気体圧力計１の測定部２００のブロック図である。なお、図８では発熱抵抗体パターン７２が音叉型水晶振動子３０とは別体として図示されているが、実際には図５に示すように一体化されている。
【００４７】
図８において、水晶振動子３０の一端に接続され、水晶振動子３０を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器２１０と、圧力測定部１００の他端に接続された減衰器例えば１／１０減衰器２２０と、１／１０減衰器２２０からの電流を整流する第１の全波整流器２３０と、第１の全波整流器２３０からの電圧と、基準電圧源２４０からの基準電圧とを比較する比較器２５０と、比較器２５０の出力電圧に基づいて１／１０減衰器２２０の出力をさらに減衰する電圧制御減衰器２６０と、電圧制御減衰器２６０及び電流電圧変換器２１０の加算出力を整流する第２の全波整流器２７０と、を有する。図８では、圧力をデジタル表示するために、第２の全波整流器２７０に接続されたアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２８０と、その出力に基づいて表示部３００を表示制御するＣＰＵ２９０とを有する。これに代えて、Ａ／Ｄ変換器２８０、ＣＰＵ２９０及び表示部３００を削除し、第２の全波整流器２７０にアナログメータを接続してもよい。
【００４８】
図８では、水晶振動子３０の発振周波数を測定する周波数測定手段例えば周波数カウンタ３２０と、その出力に基づいて発熱抵抗体パターン７２への供給電力を制御するヒータ電力制御回路３３０とをさらに設けている。
【００４９】
ここで、水晶振動子３０の発振周波数と温度の関係は図９に示す通りであり、水晶振動子３０の発振周波数ｆは実温度Ｔと直線的な相関を有する。このように、発振周波数が温度に対して直線的に変化する水晶振動子３０を感温振動子と称する。このような感温振動子は、水晶のカット角に依存して形成することができる。
【００５０】
図８の１／１０減衰器２２０の出力は、水晶振動子３０の発振周波数ｆと相関のある矩形波出力である。よって、周波数カウンタ３２０は１／１０減衰器２２０の出力周波数をカウントすることで、水晶振動子３０の発振周波数ｆを検出できる。水晶振動子３０が、図９に示す特性を有する感温振動子であれば、検出された発振周波数ｆから、水晶振動子３０の温度Ｔを求めることができる。
【００５１】
図８に示すヒータ電力制御回路３３０は、図９に示す特性に基づき、周波数カウンタ３２０の出力に応じて、測定された温度Ｔが制御すべき温度よりも高ければ供給電力を少なくし、温度Ｔが制御すべき温度よりも高ければ供給電力を多くして、発熱抵抗体パターン７２を制御すべき温度になるように制御する。こうして、水晶振動子３０の温度を一定に維持して、圧力測定を行なうことができる。例えば、水晶振動子３０の設定温度を４５℃とした場合、図５に示すように水晶振動子３０に直付けした発熱抵抗体パターン７２での加熱により、水晶振動子３０を４５℃±０．０３℃というきわめて高い精度にて温度制御することができた。なお、水晶振動子３０の設定温度としては、常温である例えば２５℃などであってもよいが、常温よりも高い例えば４５℃等の温度に水晶振動子３０を温度制御することで、周囲温度の変化の影響がより少なくなる。
【００５２】
ここで、上述のようにして一点温度に制御された発熱抵抗体パターン７２により水晶振動子３０を駆動すると、水晶振動子３０の共振抵抗Ｚを反映した値（１／Ｚ）が第２の全波整流器２７０の出力として得られる。測定された水晶振動子３０の共振抵抗Ｚと、水晶振動子３０の固有共有抵抗Ｚ０との差ΔＺ（＝Ｚ−Ｚ０）は、気体の粘性（濃度）に依存した気体の圧力に相当する。よって、水晶振動子３０の設定温度における固有共振周波数Ｚ０と、一定温度にて測定された水晶振動子３０の共振抵抗とから、高精度にて気体の圧力を測定できる。
【００５３】
本実施形態の水晶式気体圧力計は、感温振動子に直接ヒータ（発熱体抵抗パターン）を設置し、測定される水晶振動子の共振周波数が、基準温度における水晶振動子の共振周波数が一定となるように、ヒータ電力を制御している。そして、そのヒータ電力制御によって水晶振動子の温度を一定に保持し、水晶振動子の固有共振抵抗Ｚ０の温度による誤差をなくしたものである。水晶振動子に直接ヒータを設置しているため、振動子を例えば４５℃に保持するヒータ電力は２００μＷ以下と小さくて良い。振動子の温度は、振動子の共振周波数から温度を検出できるため、４５℃±０．０３℃以下の高精度で制御できる。この温度精度は、圧力に換算すると±１．５×１０−５Ｔｏｒｒに相当する。
【００５４】
図８の構成では、特許文献２の図７及び図８に示す演算回路及びＤ／Ａコンバータを削除できる。図８では、特許文献２の図３及び図５と比較して追加される部材は、図５に示す発熱抵抗体パターン７２とヒータ電力制御回路３３０だけである。加えて、個々の振動子の固有共振抵抗（Ｚ０）と温度（Ｔ）との相関特性データの収集の必要がなくなる。従って、特許文献２の構成よりも大幅なコストダウンが可能となる。
【００５５】
なお、本実施形態に係る圧力計１を、圧力検出原理の異なるセンサと組み合わせて、測定圧力範囲を拡大した複合型真空計とすることができる。水晶式気体圧力計１と組み合わされる他の真空計とし、電離真空計やペニング放電を利用したペニング真空計を挙げることができる。
【００５６】
例えば電離真空計は、電子を放出するためのフィラメントが高温となる。一方、ペニング真空計では、圧力の高い領域では自己発熱する。さらに、いずれの真空計でも、上述した発熱のために水晶振動子３０の温度は４０〜５０℃にも達する。
【００５７】
このように他のセンサと組み合わされて水晶振動子３０が用いられる場合には、その際の環境温度例えば４５℃に発熱抵抗体パターン７２を制御すれば良い。
【００５８】
２．第２実施形態
図１０は、本発明の第２実施形態に係る水晶式圧力計のブロック図である。図１０に示す圧力計４００のうち、図８と同一機能を有する部材について、図８と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５９】
図１０に示す圧力計４００が、図８に示す圧力計１と異なる点は、第１実施形態の発熱抵抗体パターン７２に代えて、キュリー温度を超える温度上昇により急激に抵抗値が大きくなる発熱抵抗体にて形成されたＰＴＣ（正温度特性）発熱抵抗体パターン４１０を設けた点である。つまり、図５に示すクロッスハッチング領域は、発熱抵抗体パターン７２でなくＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０である。なお、図１０でも、ＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０が音叉型水晶振動子３０とは別体として図示されているが、実際には図５に示すように一体化されている。
【００６０】
そして、このＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０の２つの端子には、図８とは異なり、図１０に示すように電源４２０のみが接続されている。つまり、ＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０を外部から温度制御する必要はない。ＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０自体の自己制御により、キュリー温度を超える温度上昇ではＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０の抵抗値が急激に大きくなって電流を抑えるため、発熱温度が低くなるからである。一方、温度降下ではＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０の抵抗値が小さくなって電流が増加し、発熱温度が高くなるからである。
【００６１】
このようなＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０も、図５に示す例えば第３の面３２Ａ３，３２Ｂ３上にてフォトリソグラフィ技術を用いて形成できる。
【００６２】
ここで、ＰＴＣ発熱抵抗体パターン４１０を一定温度例えば４５℃に制御する精度としては、４５℃±１℃程度である。
【００６３】
なお、本発明の実施形態について説明したが、本発明の発明特定事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形例が可能であることは当業者には容易に理解できる。従って、このような変形例は全て本発明の範囲内に含まれるものである。例えば、本明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な用語と共に記載された異なる用語は、本明細書又は図面のいかなる箇所においても、その広義または同義の用語に置き換えることができる。
【００６４】
本発明の圧力計は、ヒータにて水晶振動子を一定温度に保持できるので、大気圧から１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ台までの広い圧力範囲での測定が可能なことから、大気−真空で変化する気体経路での圧力測定に用いることができる。このため、大気−真空で圧力変化する部屋を備えた真空装置の圧力計として最適である。この他、例えば大気時に開放され、真空時に閉鎖されるゲートバルブの開閉タイミングを決定するセンサとして利用したり、クライオポンプの制御タイミングを決定するセンサなどとしても利用できる。これらの使用時に、上述した通り、水晶振動子を用いない他のセンサとの複合型センサとして構成しても良い。
【００６５】
また、本発明に用いられる水晶振動子は、第１実施形態では図９の特性を有する感温振動子に限定されるが、第２実施形態のように温度測定を要しない場合には、感温振動子だけでなく、非感温振動子であってもよい。非感温振動子とは、温度に対して発振周波数の変化が直線でなく曲線となり、発振周波数によって一義的に温度を求めることができないタイプである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水晶式気体圧力計の断面図である。
【図２】図１の圧力計に用いられる音叉型水使用振動子の概略斜視図である。
【図３】音叉型水晶振動子に形成される第１，第２の電極パターンを模式的に示す説明図である。
【図４】音叉型水晶振動子の第１面に形成される第１，第２の電極パターンの一例を示す図である。
【図５】音叉型水晶振動子の第３面に形成される第１，第２の電極パターン及び発熱抵抗体パターンの一例を示す図である。
【図６】音叉型水晶振動子の第３面に形成される第１，第２の電極パターン及び発熱抵抗体パターンの他の一例を示す図である。
【図７】音叉型水晶振動子の第３面に形成される第１，第２の電極パターン及び発熱抵抗体パターンのさらに他の一例を示す図である。
【図８】第１実施形態の全体ブロック図である。
【図９】感温振動子の発振周波数−温度の関係を示す特性図である。
【図１０】第２実施形態の全体ブロック図である。
【符号の説明】
【００６７】
１，４００  圧力計、１０  真空室、１２  部屋、１４  壁部、２０  ケース本体、２２  フランジ、３０  水晶振動子、４０  電極、５０  気密シール体、５２  第１シール体、５４  筒体、５６  ネジ部、５８  第２シール体、６０  フィルタ部材、７０Ａ  
第１の電極パターン、７０Ｂ  第２の電極パターン、７２  発熱抵抗体パターン、７２Ａ，７２Ｂ  電極、８７  アンプ、８８  ペルチェ素子、２１０  電流電圧変換器、２２０  減衰器（１／１０減衰器）、２３０  第１の全波整流器、２４０  基準電圧源、２５０  比較器、２６０  電圧制御減衰器、２７０  第２の全波整流器、２８０  アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、２９０  ＣＰＵ、３００  表示部、３２０  周波数カウンタ、３３０  ヒータ電力制御回路、４１０  ＰＴＣ発熱抵抗体パターン、４２０  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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