(57)【要約】      （修正有）【課題】水晶振動子の温度を一定に制御することで、水晶振動子の固有共振抵抗と温度との相関特性データの収集工数と演算回路とをなくしてコストダウンし、被測定気体にも影響を与えずにメインテナンスも容易な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。【解決手段】ヒータ７０を金属製の筒体５４の外壁に接して大気側に配置し、金属製の筒体５４とフィルタ部材６０を熱伝達部材として熱伝達して、水晶振動子３０を加熱する。【選択図】図１
2008164540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子の固有共振抵抗と測定された共振抵抗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、
前記筒体の外壁に接して大気側に配置され、前記筒体及び前記フィルタ部材を熱伝達部材として熱伝達して、前記水晶振動子を加熱するヒータと、
を有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、
前記ケース本体及び筒体は接地され、前記ケース本体と前記筒体とを第２シール体にて電気的に絶縁したことを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記水晶振動子は、共振抵抗が温度によって変化し、
前記ヒータは、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、
前記水晶振動子には、温度が上昇するに従い抵抗値が低下する負温度特性の抵抗体が直列接続されていることを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項４】
請求項３において、
前記抵抗体は、温度の上昇により抵抗値が低下する負温度特性の第１のサーミスタと、それに並列接続された抵抗器とで構成され、前記水晶振動子、前記第１のサーミスタ及び前記抵抗器にて圧力測定部が構成され、
前記圧力測定部の合成抵抗値が、所定温度にて極小値をとる温度特性を有し、
前記ヒータにて制御される前記水晶振動子の温度が、実質的に前記所定温度に設定されることを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項５】
請求項４において、
前記圧力測定部の一端に接続され、前記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、
前記圧力測定部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のいずれかににおいて、
前記ヒータは、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（正温度特性）発熱体であることを特徴とする水晶式気体圧力計。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記ヒータの温度を測定する熱電対と、
前記熱電対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８】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記ヒータの温度を測定する第２のサーミスタと、
前記第２のサーミスタ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９】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記水晶振動子は、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１０】
請求項１乃至９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、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、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）。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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】
振動子の固有共振抵抗Ｚ０が温度によって変化することを防止するために、振動子、ヒータおよび温度センサをアルミブロック内に埋め込み、ヒータにより振動子を一定温度に維持することも提案されている。
【００１１】
特許文献２の技術は、真空系にて水晶振動子と隣接させてヒータを配置して水晶振動子を一定温度に制御しなくても、気体の圧力を雰囲気温度に拘わらず正確に測定できる点で優れている。
【００１２】
ここで、真空系にて水晶振動子と隣接してヒータを設けるとすれば、例えば可燃性の気体の圧力測定には用いることができないなど、被測定気体に制限が設けられてしまう。また、ヒータが断線すると、真空計から測定部を取り外して交換することになり、メインテナンスが煩雑となる。
【００１３】
特に、水晶振動子は極めて小型であって、消費電力が約１０μＷオーダーであるため熱を持たないので、被測定系に影響を与えないという大きな利点があるのに、その利点が相殺されてしまう。
【００１４】
本発明の目的は、水晶振動子の温度を一定に制御すること、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、しかも被測定気体にも影響を与えずにメインテナンスも容易な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】
【００１５】
本発明の一態様は、
水晶振動子の固有共振抵抗と測定された共振抵抗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のシール体と、
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のシール体と、
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、
前記筒体の外壁に接して大気側に配置され、前記筒体及び前記フィルタ部材を熱伝達部材として熱伝達して、前記水晶振動子を加熱するヒータと、
を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の一態様によれば、金属製の筒体の外壁に接して大気側に配置されたヒータにより、その筒体及びフィルタ部材を熱伝達部材として熱伝達して、水晶振動子を加熱することができる。従って、周囲温度が変化しても水晶振動子をほぼ一定温度に制御でき、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。しかも、ヒータは大気側に配置されているので、ヒータが被測定気体に直接接触することがなく、例えば可燃性気体が除かれるなどの被測定気体が制限されることもない。また、ヒータの断線等が生じても、大気側にてメインテナンスが実施でき、迅速に復帰させることができる。
【００１７】
また、本発明の一態様では、測定室に水晶振動子を配置するための筒体と、測定室を形成するためのフィルタ部材とを、共に金属にて形成することで、ヒータ−水晶振動子間の熱伝達経路として兼用できる効果もある。
【００１８】
本発明の一態様では、前記ケース本体及び筒体が接地され、前記ケース本体と前記筒体とを第２シール体にて電気的に絶縁することができる。
【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、前記水晶振動子は、共振抵抗が温度によって変化するものであって、前記ヒータは、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、前記水晶振動子に、温度が上昇するに従い抵抗値が低下する負温度特性の抵抗体を直列接続することができる。
【００２１】
こうすると、水晶振動子の共振抵抗値と抵抗体の抵抗値とによる合成抵抗値は、所定温度にて極小値をとる温度特性となる。この合成抵抗値が極小となる所定温度にて水晶振動子を温度制御すれば、温度に依存した共振抵抗値の変動は最小となり、ヒータによる温度制御の精度が悪くても、測定圧力値の精度を保障できる。
【００２２】
本発明の一態様では、前記抵抗体は、温度の上昇により抵抗値が低下する負温度特性の第１のサーミスタと、それに並列接続された抵抗器とで構成することができる。この場合、前記水晶振動子、前記第１のサーミスタ及び前記抵抗器にて圧力測定部が構成され、前記圧力測定部の合成抵抗値が、所定温度にて極小値をとる温度特性を有し、前記ヒータにて制御される前記水晶振動子の温度を、実質的に前記所定温度に設定することができる。
【００２３】
本発明の一態様では、前記圧力測定部の一端に接続され、前記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、
前記圧力測定部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。
【００２４】
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。
【００２５】
本発明の一態様では、前記ヒータは、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）発熱体とすることができる。
【００２６】
こうすると、ヒータに電源さえ接続すれば、正温度特性の発熱体は、キュリー温度を超える温度の上昇により抵抗値が急激に大きくなって電流が少なくなって発熱量が低下し、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。
【００２７】
本発明の一態様では、前記ヒータの温度を測定する熱電対と、前記熱電対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。この場合は、熱電対で測定される温度に基づいて、水晶振動子はほぼ一定温度に制御される。
【００２８】
本発明の一態様では、前記ヒータの温度を測定する第２のサーミスタと、前記第２のサーミスタ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。この場合は、第２のサーミスタを温度センサとして用いることで、水晶振動子の温度をほぼ一定に制御できる。
【００２９】
本発明の一態様では、前記水晶振動子は、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、前記水晶式気体圧力計は、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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】
【００３２】
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。
【００３３】
１．第１実施形態
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。水晶振動子例えば音叉型水晶振動子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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
また、金属製の筒体５４及びフィルタ部材６０は、ヒータ７０と水晶振動子３０との間の固体熱伝導経路として兼用される。
【００３８】
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。
【００３９】
フィルタ部材６０は、部屋１２と測定室６２とを連通させ、かつ、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。
【００４０】
ヒータ７０は、水晶振動子４０を所定温度、例えば常温（２５℃）よりも高い４５℃に加熱するものである。ヒータ７０は、筒体５４および第３シール体５８よりも大気側にて、筒体５４に接触してリング状に形成されている。ヒータ７０から水晶振動子４０までの熱伝達経路は、筒体５４→フィルタ部材７０→測定室７２→水晶振動子３０のルートである。
【００４１】
図１の構造によれば、ヒータ３０を大気側に設けても水晶振動子３０を効率的に温度制御することができる。よって、ヒータを水晶振動子と併設して真空雰囲気に設けなくて済むので、可燃性ガスが排除されるなど、被測定気体に制限が生ずることはない。また、仮にヒータ７０が断線しても、大気側にてヒータ７０のみを容易に交換できるので、メインテナンスも容易である。
【００４２】
ヒータ７０の駆動回路の例を、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ）は、ヒータ７０の温度を熱電対８０にて計測している。熱電対８０の出力は、冷接点温度補償回路８２を介してヒータ電力制御回路８４に帰還され、ヒータ７０の温度を一定温度に制御している。熱電対での熱起電力はヒータ７０の被測定点（温接点）と冷接点との間の温度差に応じて生じ、冷接点での温度変化による熱起電力を補償するために、冷接点温度補償回路８２が設けられている。
【００４３】
図２（Ｂ）は、ヒータ７０の温度を、温度センサとして機能するＮＴＣ（Negative Temperature Coefficien:負温度特性）サーミスタ（第２のサーミスタ）８６にて計測している。ＮＴＣサーミスタ８６の出力をアンプ８７で増幅してヒータ電力制御回路８４に帰還させれば、ヒータ７０を一定温度に制御できる。
【００４４】
ここで、水晶振動子３０の共振抵抗Ｚは、図３に示すように温度Ｔによって変化する。この際、共振抵抗Ｚの変化が少ない温度領域は、共振抵抗Ｚの最小値と対応する温度Ｔｓは常温よりかなり低く例えば１５℃である。
【００４５】
本実施形態では、ヒータ７０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ＴＰに設定され、例えばＴＰ＝４５℃である。
【００４６】
このように、共振抵抗Ｚの最小値と対応する温度Ｔｓとは異なる温度ＴＰにてヒータ７０を制御すると、水晶振動子３０も温度ＴＰに温度制御されることになる。このとき、水晶振動子３０が温度ＴＰ付近では、正温度特性の傾きが急であるので、水晶振動子３０の温度が少し変化しただけで、共振抵抗Ｚが比較的大きく変化してしまう。これでは、気体圧力の測定精度が劣化する。
【００４７】
これを防止するためには、図３の破線で示すように、水晶振動子３０を含む圧力測定部の合成抵抗の極小値ＲＰが、ヒータ７０の制御温度ＴＰにて極小となるように補正する。このためには、図３の一点鎖線で示すように、温度上昇と共に抵抗値が小さくなる負温度特性の抵抗体９０を、図４に示すように水晶振動子３０に直列に接続すればよい。図４に示すように、水晶振動子３０及びそれに直列接続された抵抗体９０により、圧力測定部１００が形成される。この圧力測定部１００での合成抵抗が、図３に示すように温度ＴＰにて極小値を持つ。このような抵抗体９０としては、ＮＴＣ（負温度特性）サーミスタ（第１のサーミスタ）９２に抵抗器９４を並列接続して構成することができる。なお、抵抗器９４は制御温度ＴＰの調整用抵抗器である。この抵抗体９０は必ずしも真空内に配置する必要はなく、大気側にて水晶振動子３０に接続することができる。
【００４８】
本実施形態では、ＮＴＣサーミスタ９２として、ビード素子をガラス封止した小型で信頼性の高いビードサーミスタを１個または複数個直列接続して用いた。これと並列接続される抵抗器９４の抵抗値は、数ｋΩ程度でよい。
【００４９】
ＴＰ＝２５℃に設定し、水晶振動子３０を温度制御しない場合、大気温度が２５℃±１０℃で変化した時では、水晶振動子３０の共振抵抗Ｚは−２５０Ω〜＋２５０Ωに変化する。この共振抵抗Ｚの変化は、圧力にして最大で５×１０−３Ｔｏｒｒにも相当する大きな誤差となる。
【００５０】
一方、図４に示す圧力測定部１００を用いてＴＰ＝４５℃に設定し、ヒータ７０を４５℃±１℃に制御した場合には、水晶振動子３０の共振抵抗Ｚは±４０Ω以下で、その共振抵抗Ｚの変化は、圧力にして±６×１０−６Ｔｏｒｒもの小さな誤差となった。
【００５１】
図５は、図４に示した圧力測定部１００を用いた水晶式気体圧力計２００のブロック図である。図５において、圧力測定部１００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５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。
【００５２】
図６では、圧力をアナログ出力するために、第２の全波整流器２７０にアナログメータ３１０を接続している。図６に示す他の部材は、図５に示す符号が付された部材と同一である。
【００５３】
図５及び図６では、図２（Ａ）または図２（Ｂ）のいずれかの方式で帰還制御されたヒータ７０により水晶振動子３０の温度を、図３に示す合成抵抗の極小値ＴＰに制御する。これにより、何ら温度補正することなく、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。ここで、固有共振周波数Ｚ０は、広い温度範囲（−２０〜＋６０℃）にてほぼ一定である。よって、図５の表示部２９０または図６のメータ３１０にて、気体の圧力を出力できる。
【００５４】
図５の構成では、特許文献２の図３及び図４に示す演算回路、周波数カウンタ及びＤ／Ａコンバータを削除できる。図６の構成では、特許文献２のＣＰＵにて実施されていた温度補正演算を削除できる。図５及び図６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１に示すヒータ７０、図２（Ａ）または図２（Ｂ）に示すヒータ電力制御系、加えて図４に示す抵抗体９０（ＮＴＣサーミスタ９２＋抵抗器９２）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。しかも、図４の構成の追加により、仮にヒータ７０の温度（ＴＰ）制御精度が悪くても、測定される水晶振動子３０の共振抵抗Ｚの誤差を少なくできるので、圧力測定精度の劣化がほとんどない。
【００５５】
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、図３に示す極小の合成抵抗値ＲＰに対応する制御温度ＴＰ＝４５℃となるように、抵抗体９０を構成して、ヒータ７０により水晶振動子３０を４５℃に制御すれば良い。
【００５８】
ここで、図７に示すように、ケース本体２０の周囲に例えばペルチェ素子８８を配置して、ペルチェ素子８８により種々の環境温度を設定した時の水晶振動子３０の温度を測定してみた。その結果を図１０に示す。
【００５９】
図８は、ペルチェ素子８８の温度を、１５℃、２０℃、２５℃、３０℃、３５℃、４０℃、４５℃と７段階に変化させ、図２（Ａ）及びは図２（Ｂ）の双方の制御によってヒータ７０を４５℃に制御した時の、水晶振動子３０の温度を測定した結果を示している。図２（Ａ）及びは図２（Ｂ）のいずれの制御においても、水晶振動子３０をほぼ４５℃±１℃に制御することができた。
【００６０】
２．第２実施形態
図９は、図５のヒータ電力制御のために、図２（Ａ）または図２（Ｂ）に示す方式を採用せず、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を設けたものである。
【００６１】
ここで、水晶振動子３０の発振周波数と温度の関係は図１０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。
【００６２】
図９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７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。
【００６３】
図９に示すヒータ電力制御回路３３０は、図１０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が制御温度ＴＰよりも高ければ供給電力を少なくし、温度Ｔが制御温度ＴＰよりも高ければ供給電力を多くして、ヒータ７０を制御温度ＴＰ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。
【００６４】
このように、本発明の第２実施形態においても、第１実施形態と同等の効果を奏することができる。
【００６５】
３．第３実施形態
図１１は、本発明の第３実施形態に係る水晶式圧力計の断面図であり、図１２は平面図である。図１１に示す圧力計４００のうち、図１と同一機能を有する部材について、図１と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６６】
図１１及び図１２に示す圧力計４００が、図１に示す圧力計１と異なる点は、図１のヒータ７０に代えて、温度上昇により抵抗値が大きくなる発熱体にて形成されたＰＴＣ（正温度特性）発熱体４１０を設けた点である。
【００６７】
このＰＴＣ発熱体４１０を取り付けるために、ケース本体２０と第２シール体５４との間に密に挿入されるリング形状を呈し、ケース本体２０にネジ止めされる例えばＡｌ製の伝熱ブロック４２０が設けられている。
【００６８】
ＰＴＣ発熱体４１０は、伝熱ブロック４２０の上面に密着され、周方向にて両端を有するリング状のシート発熱体４１２と、シート発熱体４２２の両端部より延長されて半径方向外側に引き出された２つの端子４１４，４１６とを有する（図１２参照）。
【００６９】
そして、この２つの端子４１４，４１６には、図２（Ａ）、図２（Ｂ）や図９とは異なり、図１２に示すように電源４４０が接続されている。つまり、ＰＴＣ発熱体４１０を外部から温度制御する必要はない。ＰＴＣ発熱体４１０自体の自己制御により、温度上昇ではシート発熱体４２２のシート抵抗値が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、温度降下ではシート発熱体４１２のシート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。
【００７０】
ＰＴＣ発熱体４１０から水晶振動子３０までの伝熱経路は、金属製により伝熱効果の高い伝熱ブロック４２０が介在する点だけが異なり、伝熱ブロック４２０以降の伝熱経路は第１実施形態と同じである。よって、図４に示す均一温度制御以上の特性で、水晶振動子３０を温度制御できる。しかも、ＰＴＣ発熱体４１０はシート状に形成できるので、圧力計４００を小型に維持できる。
【００７１】
図１３は、図１１に示す圧力計４００とはさらに異なる圧力計５００を示している。図１３に示す圧力計５００が図１１に示す圧力計４００と異なる点は、ＰＴＣ発熱体５１０の形状である。このＰＴＣ発熱体５１０は、図１４にて展開図で示すように、帯状の発熱シート５１２の両端部にて突出する電極５１４，５１６を有する。
【００７２】
このＰＴＣ発熱体５１０は、第２シール体５４にネジ止めされるリング状の伝熱ブロック５２０と、ケース本体２０との間にて、リング状に巻回されて挟持され、例えばケース本体２０にネジ止めされている。なお、このようにして固定されたＰＴＣ発熱体５１０の２つの電極には、図１２と同様にして電源４４０が接続される。
【００７３】
図１３の圧力計５００は、ＰＴＣ発熱体５１０の表面積を広く確保される分だけ、水晶振動子３０の温調効果は高まる。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
また、本発明に用いられる水晶振動子は、図９の実施形態を除いて、図１０の特性を有する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９の実施形態では、水晶振動子の発振周波数から温度を求めているため、感温振動子だけが用いられる。その他の実施形態は、水晶振動子の発振周波数から温度を求めていないため、感温振動子及び非感温振動子の双方を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【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２（Ａ）は熱伝対を用いたヒータ電力制御部を、図２（Ｂ）はＮＴＣ（負温度特性）サーミスタを用いたヒータ電力制御部をそれぞれ示している。
【図３】水晶振動子の共振抵抗と負温度特性を持つ抵抗体の抵抗値とを合成した、常温にて極小値を持つ合成抵抗の特性図である。
【図４】図３の特性を有する圧力測定部の構成例を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る圧力計の全体ブロック図である。
【図６】図５とは異なるアナログ出力形態の圧力計の全体ブロック図である。
【図７】温度測定のための実験用にペルチェ素子を配置した圧力計を示す図である。
【図８】図７に示す圧力計を用いて、環境温度を種々変更して測定した水晶振動子の実測温度を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る圧力計の全体ブロック図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に用いられる感温振動子の温度−発振周波数特性を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るＰＴＣ発熱体をヒータとして圧力計の断面図である。
【図１２】図１１に示す圧力計の平面図である。
【図１３】図１１とはさらに異なる圧力計の断面図である。
【図１４】図１３の圧力計に用いられるＰＴＣ発熱体の展開図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，２００，４００，５００  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、７０  ヒータ、８０  熱電対、８２  冷接点温度補償回路、８４，３３０  ヒータ電力制御回路、８６  第２のサーミスタ、８７  アンプ、８８  ペルチェ素子、９０  第１のＣサーミスタ、９２  抵抗器、１００  圧力測定部、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、３１０  アナログメータ、３２０  周波数カウンタ、４１０，５１０  ＰＴＣ発熱体、４１２，５１２  シート発熱体、４１２，４１４，５１２，５１４  電極、４２０，５２０  伝熱ブロック、４４０  電源
【図１】
2008164540.tif 000003
【図２】
2008164540.tif 000004
【図３】
2008164540.tif 000005
【図４】
2008164540.tif 000006
【図５】
2008164540.tif 000007
【図６】
2008164540.tif 000008
【図７】
2008164540.tif 000009
【図８】
2008164540.tif 000010
【図９】
2008164540.tif 000011
【図１０】
2008164540.tif 000012
【図１１】
2008164540.tif 000013
【図１２】
2008164540.tif 000014
【図１３】
2008164540.tif 000015
【図１４】
2008164540.tif 000016