(57)【要約】【課題】  小型化を維持しながら広い圧力範囲にて分解能を高めて測定できる圧力センサー及びそれを用いた真空装置を提供すること。【解決手段】  圧力センサー１０Ａ〜１０Ｅは、枠外表面にて少なくとも第１仮想面２１と第２仮想面２２とを規定するベース枠体２０Ａ，２０Ｂと、第１仮想面を覆う面に配置される第１ダイヤフラム５０と、第２仮想面を覆う面に配置される第２ダイヤフラム６０と、少なくともベース枠体、第１，第２ダイヤフラムで区画形成され、測定圧力範囲Ｐよりも低い内圧を有する気密空間７０，９０と、気密空間内に配置されて第１，第２ダイヤフラムの変位を検出する第１検出素子３０及び４０と、を有する。第１ダイヤフラムは、測定圧力範囲Ｐのうちの高圧側の少なくとも第１圧力範囲Ｐ１の圧力に応答して変位し、第２ダイヤフラムは、第１圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第２圧力範囲Ｐ２の圧力に、第１ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位する。【選択図】      図１
2012026901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠外表面にて少なくとも第１仮想面と第２仮想面とを規定するベース枠体と、
前記第１仮想面を覆う面に配置される第１ダイヤフラムと、
前記第２仮想面を覆う面に配置される第２ダイヤフラムと、
少なくとも前記ベース枠体、前記第１，第２ダイヤフラムで区画形成され、測定圧力範囲よりも低い内圧を有する気密空間と、
前記気密空間内に配置される第１検出素子と、
前記気密空間内に配置される第２検出素子と、
を有し、
前記第１ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの高圧側の少なくとも第１圧力範囲の圧力に応答して変位し、前記第１ダイヤフラムの変位が前記第１検出素子にて検出され、
前記第２ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第１圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第２圧力範囲の圧力に、前記第１ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第２ダイヤフラムの変位が前記第２検出素子にて検出されることを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１圧力範囲は標準大気圧を含み、
前記第２圧力範囲の上限は負圧であることを特徴とする圧力センサー。
【請求項３】
請求項２において、
前記気密空間は、前記測定圧力範囲の下限の圧力よりも２桁以上低い圧力に設定されていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部をさらに有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項５】
請求項２または３において、
前記ベース枠体は、前記枠外表面にて第３仮想面をさらに規定し、
前記圧力センサーは、
前記第３仮想面を覆う面に配置される第３ダイヤフラムと、
前記気密空間に配置される第３検出素子と、
をさらに有し、
前記第３ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第２圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第３圧力範囲の圧力に、前記第２ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第３ダイヤフラムの変位が前記第３検出素子にて検出されることを特徴とする圧力センサー。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部と、
前記第３圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第３ダイヤフラムの変位を規制する第２ストッパー部と、
をさらに有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項７】
請求項５において、
前記ベース枠体は、前記枠外表面にて第４仮想面をさらに規定し、
前記圧力センサーは、
前記第４仮想面を覆う面に配置される第４ダイヤフラムと、
前記気密空間に配置される第４検出素子と、
をさらに有し、
前記第４ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第３圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第４圧力範囲の圧力に、前記第３ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第４ダイヤフラムの変位が前記第４検出素子にて検出されることを特徴とする圧力センサー。
【請求項８】
請求項７において、
前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部と、
前記第３圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第３ダイヤフラムの変位を規制する第２ストッパー部と、
前記第４圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第４ダイヤフラムの変位を規制する第３ストッパー部と、
をさらに有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項９】
請求項２乃至８のいずれかにおいて、
前記ベース枠体は、前記第１〜第Ｍ仮想面（Ｍは２〜４の中の整数）に加えて、少なくとも一つの第（Ｍ＋１）仮想面を規定し、
前記少なくとも一つの（Ｍ＋１）仮想面を蓋体にて覆うことで前記気密空間が形成されることを特徴とする圧力センサー。
【請求項１０】
請求項２または３において、
前記ベース枠体は、第１枠外表面と第２枠外表面とを含み、
前記圧力センサーは、
前記ベース枠体の前記第１枠外表面に接合され、前記第１検出素子を支持した第１支持枠体と、
前記ベース枠体の前記第２枠外表面に接合され、前記第２検出素子を支持した第２支持枠体と、
前記第１支持枠体に接合され、前記第１ダイヤフラムを有する第１蓋体と、
前記第２支持枠体に接合され、前記第２ダイヤフラムを有する第２蓋体と、
をさらに有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第２支持枠体と前記第２蓋体との間に設けられ、前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部を支持する第１ストッパー支持枠体をさらに有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記ベース枠体は、第３枠外表面をさらに含み、
前記圧力センサーは、
前記ベース枠体の前記第３枠外表面に接合され、第３検出素子を支持した第３支持枠体と、
前記第３支持枠体に接合され、第３ダイヤフラムを有する第３蓋体と、
をさらに有し、
前記第３ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第２圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第３圧力範囲の圧力に、前記第２ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第３ダイヤフラムの変位が前記第３検出素子にて検出されることを特徴とする圧力センサー。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記第３支持枠体と前記第３蓋体との間に設けられ、前記第３圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第３ダイヤフラムの変位を規制する第２ストッパー部を支持する第２ストッパー支持枠体をさらに有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記ベース枠体は、第４枠外表面をさらに含み、
前記圧力センサーは、
前記ベース枠体の前記第４枠外表面に接合され、第４検出素子を支持した第４支持枠体と、
前記第４支持枠体に接合され、第４ダイヤフラムを有する第４蓋体と、
をさらに有し、
前記第４ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第３圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第４圧力範囲の圧力に、前記第３ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第４ダイヤフラムの変位が前記第４検出素子にて検出されることを特徴とする圧力センサー。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記第４支持枠体と前記第４蓋体との間に設けられ、前記第４圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第４ダイヤフラムの変位を規制する第３ストッパー部を支持する第３ストッパー支持枠体と、
をさらに有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項１６】
請求項１１乃至１５のいずれかにおいて、
前記第１，第２検出素子の各々は圧電振動子にて形成され、
前記第１蓋体は、前記第１ダイヤフラムの変位を前記第１検出素子に伝達する第１伝達部を有し、
前記第２蓋体は、前記第２ダイヤフラムの変位を前記第２検出素子に伝達する第２伝達部と有し、
前記第１ストッパー部は、
前記第２ダイヤフラムと対向する面に形成されたストッパー面と、
前記第２検出素子と対向する面に形成され、前記第２検出素子の振動を許容する逃げ部と、
を有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項１７】
大気−真空置換される領域に臨んで配置された請求項２乃至１６のいずれかに記載の圧力センサーを有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、圧力センサー及びそれを用いた真空装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子、例えば双音叉型水晶振動子を検出素子とした圧力センサーが知られている。特許文献１には、ダイヤフラムと蓋部とにより区画されて負圧とされる内部空間が形成し、ダイヤフラムと連結される水晶振動子を内部空間内に配置している。これにより、ダイヤフラムに作用する圧力Ｐ１と内部空間内の圧力Ｐ２との差圧を検出している。
【０００３】
対向二面に水晶ダイヤフラムを有する圧力センサーは、特許文献２に開示されている。この圧力センサーは、対向二面の水晶ダイヤフラム同士を力伝達用柱部で連結している。そして、一方の水晶ダイヤフラムに作用する圧力Ｐ１（負圧）と、他方の水晶ダイヤフラムに作用する圧力Ｐ２（大気圧）との差圧によって２つの水晶ダイヤフラムを変位させ、その変位が水晶振動子に伝達されて圧力Ｐ２に対する圧力Ｐ１の差圧がその極性と共に測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３２９１３号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、一つのダイヤフラムの特性により圧力−ひずみ量特性が決まってしまう。特許文献２の２つのダイヤフラムも、一体となって変位するものであるので、圧力−ひずみ量特性は単一特性である。ダイヤフラムの圧力−ひずみ量特性は、ダイヤフラムの例えば厚さによって一義的に定まる。
【０００６】
従来、例えば大気圧から高真空に至る広い圧力範囲を測定するには、ダイヤフラム特性の異なる圧力センサーを複数設置するほかなかった。それにより、真空装置にて占有されるセンサー部の領域が大型化し、価格も高価であった。また、個々の圧力センサーを特許文献１の圧力センサーとすると、個々の圧力センサー間で内部空間の圧力を均一にしなければならず、仮に不均一であれば補正が必要となる。また、価格を抑えるために圧力センサーの数を少なくすると、全圧力範囲にて精度高く圧力測定することができなかった。
【０００７】
そこで、本発明の幾つかの態様では、小型化を維持しながら広い圧力範囲にて分解能を高めて測定できる圧力センサー及びそれを用いた真空装置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】
【０００８】
本発明の一態様に係る圧力センサーは、
枠外表面にて少なくとも第１仮想面と第２仮想面とを規定するベース枠体と、
前記第１仮想面を覆う面に配置される第１ダイヤフラムと、
前記第２仮想面を覆う面に配置される第２ダイヤフラムと、
少なくとも前記ベース枠体、前記第１，第２ダイヤフラムで区画形成され、測定圧力範囲よりも低い内圧を有する気密空間と、
前記気密空間内に配置される第１検出素子と、
前記気密空間内に配置される第２検出素子と、
を有し、
前記第１ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの高圧側の少なくとも第１圧力範囲の圧力に応答して変位し、前記第１ダイヤフラムの変位が前記第１検出素子にて検出され、
前記第２ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第１圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第２圧力範囲の圧力に、前記第１ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第２ダイヤフラムの変位が前記第２検出素子にて検出されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様では、一つの圧力センサーにて、高圧側の第１圧力範囲と低圧側の第２圧力範囲を含む関心対象の圧力範囲の圧力を検出することができ、検出可能な圧力範囲が拡大する。このとき、第１，第２ダイヤフラムの各々は、一方の面に気密空間の内圧が作用し、他方の面に内圧よりも高い外圧が作用し、その内外差圧によって、気密空間内に向けて変位することになる。よって、この圧力センサーを測定雰囲気に配置したとき、第１，第２ダイヤフラムの各々に作用する内圧は等しく、第１，第２ダイヤフラムの各々に作用する外圧も等しくなる。従って、第１，第２ダイヤフラムの各々にて測定される二系統の測定系にて、その二系統間の圧力差に依存した調整が不要である。しかも、第１ダイヤフラム及び第１検出素子のみで広範囲の測定圧力範囲の圧力を検出しようとすると、低圧側ほど第１ダイヤフラムの変位量が小さくなって分解能が低下してしまう。本発明の一態様では、低圧側の第２圧力範囲の圧力を、第２ダイヤフラムにより第１ダイヤフラムよりも高い分解能にて検出できるので、広範囲に亘って比較的高い分解能で圧力検出することができる。また、気密空間内の圧力（内圧）が上記の通り低いと、第１，第２のダイヤフラムの変形に伴う内圧の変化の影響を無視できるようになる。
【００１０】
本発明の一態様では、前記第１圧力範囲は標準大気圧を含み、前記第２圧力範囲の上限は負圧とすることができる。
【００１１】
つまり、この圧力センサーは標準大気圧及びそれよりも低い負圧の測定に利用することができ、例えば大気−真空置換される真空装置での圧力測定に好適に使用することができる。特に、低真空から高真空に至る広範囲の圧力を測定するのに適している。
【００１２】
本発明の一態様では、前記気密空間は、前記測定圧力範囲の下限の圧力よりも２桁以上低い圧力に設定することができる。
【００１３】
こうすると、測定圧力範囲内の圧力が外圧として作用する時には常に、気密空間内の内圧と外圧との充分な圧力差を常に生じさせて、しかも内圧を外圧よりも常に低くすることができ、第１及び第２ダイヤフラムを気密空間内に向けて変位させて圧力測定することができる。
【００１４】
本発明の一態様では、前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部をさらに有することができる。
【００１５】
同一圧力下では第１ダイヤフラムよりも高い分解能で応答して変位する第２ダイヤフラムは、第１圧力範囲の上限側での変位量が大きくなっても、第１ストッパー部にて第２ダイヤフラムの変位を規制できる。よって、第１ストッパー部により第２圧力範囲の上限を機械的に設定でき、第２ダイヤフラムを第２圧力範囲内にて的確に動作させることができる。また、第２ダイヤフラムに過度に高い圧力が作用しても、第２ダイヤフラムが破損することを防止できる。
【００１６】
本発明の一態様では、前記ベース枠体は、前記枠外表面にて第３仮想面をさらに規定し、前記圧力センサーは、前記第３仮想面を覆う面に配置される第３ダイヤフラムと、
前記気密空間に配置される第３検出素子と、をさらに有し、前記第３ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第２圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第３圧力範囲の圧力に、前記第２ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第３ダイヤフラムの変位を前記第３検出素子にて検出することができる。
【００１７】
こうすると、同一の測定圧力範囲内の圧力を測定する時に、２つのダイヤフラムにより測定される分解能よりも、３つのダイヤフラムにより測定される分解能を高めることができるため、測定精度をより向上させることができる。あるいは、２つのダイヤフラムにより測定される圧力範囲よりも、３つのダイヤフラムにより測定される圧力範囲を拡大することができ、ダイナミックレンジを広げることができる。
【００１８】
本発明の一態様では、前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部と、前記第３圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第３ダイヤフラムの変位を規制する第２ストッパー部と、をさらに有することができる。
【００１９】
こうすると、同一圧力下では第１，第２ダイヤフラムよりも高い分解能で応答して変位する第２，第３ダイヤフラムは、第２，第３圧力範囲の上限側での変位量が大きくなっても、第１，第２ストッパー部により第２，第３ダイヤフラムの変位を規制できる。よって、第１，第２ストッパー部により第２，第３圧力範囲の各上限を機械的に設定でき、第２，第３ダイヤフラムを第２，第３圧力範囲内にてそれぞれ的確に動作させることができる。また、第２，第３ダイヤフラムに過度に高い圧力が作用しても、第２，第３ダイヤフラムが破損することを防止できる。
【００２０】
本発明の一態様では、前記ベース枠体は、前記枠外表面にて第４仮想面をさらに規定し、前記圧力センサーは、前記第４仮想面を覆う面に配置される第４ダイヤフラムと、前記気密空間に配置される第４検出素子と、をさらに有し、前記第４ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第３圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第４圧力範囲の圧力に、前記第３ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第４ダイヤフラムの変位を前記第４検出素子にて検出することができる。
【００２１】
こうすると、同一の測定圧力範囲内の圧力を測定する時に、２つまたは３つのダイヤフラムにより測定される分解能よりも、４つのダイヤフラムにより測定される分解能を高めることができるため、測定精度をさらに向上させることができる。あるいは、２つまたは３つのダイヤフラムにより測定される圧力範囲よりも、４つのダイヤフラムにより測定される圧力範囲を拡大することができ、ダイナミックレンジをさらに広げることができる。
【００２２】
換言すれば、本発明の一態様では、前記ベース枠体は、第ｋ仮想面（ｋは３≦ｋ≦Ｎを満たす１つ以上の整数で、Ｎは３≦Ｎを満たす整数）をさらに規定し、前記圧力センサーは、前記第ｋ仮想面を覆う面に配置される第ｋダイヤフラムと、前記密閉空間に配置される第ｋ検出素子と、をさらに有し、前記第ｋダイヤフラムは、第（ｋ−１）圧力範囲内に上限を有し、かつ、第（ｋ−１）圧力範囲よりも低圧側に下限を有する第ｋ圧力範囲の圧力に、第（ｋ−１）ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第ｋダイヤフラムの変位を前記第ｋ検出素子にて検出することができる。
【００２３】
本発明の一態様では、前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部と、前記第３圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第３ダイヤフラムの変位を規制する第２ストッパー部と、前記第４圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第４ダイヤフラムの変位を規制する第３ストッパー部と、をさらに有することができる。
【００２４】
こうして、第１〜第３ストッパー部により第２〜第４圧力範囲の各上限を機械的に設定でき、第２〜第４ダイヤフラムを第２〜第４圧力範囲内にてそれぞれ的確に動作させることができる。また、第２〜第４ダイヤフラムに過度に高い圧力が作用しても、第２〜第４ダイヤフラムが破損することを防止できる。
【００２５】
本発明の一態様では、前記ベース枠体は、前記第１〜第Ｍ仮想面（Ｍは２〜４の中の整数）に加えて、少なくとも一つの第（Ｍ＋１）仮想面を規定し、前記少なくとも一つの（Ｍ＋１）仮想面を蓋体にて覆うことで前記気密空間を形成することができる。
【００２６】
つまり、ベース枠体の仮想面に２つから４つのダイヤフラムを取り付けるにあたり、少なくとも一つの余分な仮想面を設けておくことで、設置されるダイヤフラムの数に拘わらずベース枠体を共用することができる。少なくとも一つの余分な仮想面には蓋体を取り付けることで、気密空間を確保できる。
【００２７】
本発明の一態様では、前記ベース枠体は、第１枠外表面と第２枠外表面とを含み、前記圧力センサーは、前記ベース枠体の前記第１枠外表面に接合され、前記第１検出素子を支持した第１支持枠体と、前記ベース枠体の前記第２枠外表面に接合され、前記第２検出素子を支持した第２支持枠体と、前記第１支持枠体に接合され、前記第１ダイヤフラムを有する第１蓋体と、前記第２支持枠体に接合され、前記第２ダイヤフラムを有する第２蓋体と、をさらに有することができる。
【００２８】
このように、ベース枠体の第１，第２枠外表面に、第１，第２支持枠体及び第１，第２蓋体をそれぞれ積層することで、第１，第２ダイヤフラム及び第１，第２検出素子を備えた圧力センサーを容易に製造することができる。
【００２９】
本発明の一態様では、前記第２支持枠体と前記第２蓋体との間に設けられ、前記第２圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部を支持する第１ストッパー支持枠体をさらに有することができる。
【００３０】
このように、第２支持枠体と第２蓋体との間に第１ストッパー支持枠体を介在させることで、第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー部を容易に配置することができる。
【００３１】
本発明の一態様では、前記ベース枠体は、第３枠外表面をさらに含み、前記圧力センサーは、前記ベース枠体の前記第３枠外表面に接合され、第３検出素子を支持した第３支持枠体と、前記第３支持枠体に接合され、第３ダイヤフラムを有する第３蓋体と、をさらに有し、前記第３ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第２圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第３圧力範囲の圧力に、前記第２ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第３ダイヤフラムの変位を前記第３検出素子にて検出することができる。
【００３２】
このように、ベース枠体の第３枠外表面に、第３支持枠体及び第３蓋体をそれぞれ積層することで、第３ダイヤフラム及び第３検出素子をさらに備えた圧力センサーを容易に製造することができる。
【００３３】
本発明の一態様では、前記第３支持枠体と前記第３蓋体との間に設けられ、前記第３圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第３ダイヤフラムの変位を規制する第２ストッパー部を支持する第２ストッパー支持枠体をさらに有することができる。
【００３４】
このように、第３支持枠体と第３蓋体との間に第２ストッパー支持枠体を介在させることで、第３ダイヤフラムの変位を規制する第２ストッパー部を容易に配置することができる。
【００３５】
本発明の一態様では、前記ベース枠体は、第４枠外表面をさらに含み、前記圧力センサーは、前記ベース枠体の前記第４枠外表面に接合され、第４検出素子を支持した第４支持枠体と、前記第４支持枠体に接合され、第４ダイヤフラムを有する第４蓋体と、をさらに有し、前記第４ダイヤフラムは、前記測定圧力範囲のうちの前記第３圧力範囲よりも低圧側を含む少なくとも第４圧力範囲の圧力に、前記第３ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、前記第４ダイヤフラムの変位を前記第４検出素子にて検出することができる。
【００３６】
このように、ベース枠体の第４枠外表面に、第４支持枠体及び第４蓋体をそれぞれ積層することで、第４ダイヤフラム及び第４検出素子をさらに備えた圧力センサーを容易に製造することができる。
【００３７】
本発明の一態様では、前記第４支持枠体と前記第４蓋体との間に設けられ、前記第４圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第４ダイヤフラムの変位を規制する第３ストッパー部を支持する第３ストッパー支持枠体と、をさらに有することができる。
【００３８】
このように、第４支持枠体と第４蓋体との間に第３ストッパー支持枠体を介在させることで、第４ダイヤフラムの変位を規制する第３ストッパー部を容易に配置することができる。
【００３９】
本発明の一態様では、前記第１，第２検出素子の各々は圧電振動子にて形成され、前記第１蓋体は、前記第１ダイヤフラムの変位を前記第１検出素子に伝達する第１伝達部を有し、前記第２蓋体は、前記第２ダイヤフラムの変位を前記第２検出素子に伝達する第２伝達部と有し、前記第１ストッパー部は、前記第２ダイヤフラムと対向する面に形成されたストッパー面と、前記第２検出素子と対向する面に形成され、前記第２検出素子の振動を許容する逃げ部と、を有することができる。
【００４０】
このように第１，第２検出素子の各々が圧電振動子にて形成される場合には、第１ダイヤフラムの変位が第１伝達部を介して第１検出素子に伝達され、第２ダイヤフラムの変位は第２伝達部を介して伝達される。第２ダイヤフラムの変位を規制する第１ストッパー面を備えた第１ストッパー部が逃げ部を有することで、圧電振動子である第２検出素子の振動を阻害することがない。
【００４１】
本発明の他の態様は、大気−真空置換される領域に臨んで配置された上述の圧力センサーを有する真空装置を定義している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの概略分解斜視図である。
【図２】図１に示す圧力センサーの断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に用いられる第１，第２ダイヤフラムの圧力−ひずみ量の特性の一例を示す特性図である。
【図４】第１ストッパー部をさらに有する圧力センサーの分解斜視図である。
【図５】図４に示す圧力センサーの断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態（Ｎ＝４）に係る圧力センサーの分解斜視図である。
【図７】図６に示す圧力センサーの第１断面図である。
【図８】図６に示す圧力センサーの第２断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態（Ｎ＝４）に用いられる第１〜第４ダイヤフラムの圧力−ひずみ量の特性の一例を示す特性図である。
【図１０】本発明の第２実施形態（Ｎ＝３）に係る圧力センサーの分解斜視図である。
【図１１】図１０に示す圧力センサーの断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態（Ｎ＝３）に用いられる第１〜第３ダイヤフラムの圧力−ひずみ量の特性の一例を示す特性図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る圧力センサーの分解斜視図である。
【図１４】図１３に示す圧力センサーの第１断面を示す断面図である。
【図１５】図１３に示す圧力センサーの第２断面を示す断面図である。
【図１６】真空装置の一部に取り付けられた圧力センサーを示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の好適な実施の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。
【００４４】
１．第１実施形態
１．１．基本構造
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの概略分解斜視図であり、図２は図１に示す圧力センサーの断面図であり、図３は第１，第２ダイヤフラムの圧力−ひずみ量の特性の一例を示す特性図である。図１において、圧力センサー１０Ａはベース枠体２０Ａを有する。ベース枠体２０Ａは、例えば四角枠形状を有する。四角枠形状のベース枠体２０Ａが規定する対向二面の枠外表面の一方を第１仮想面２１と称し、他方を第２仮想面２２と称する。なお、第１仮想面２１は、ベース枠体２０Ａの第１枠外表面２１Ａと同一平面であり、ベース枠体２０Ａで囲まれた空間７０Ａに臨む面も含む平面である。同様に、第２仮想面２２は、ベース枠体２０Ａの第１枠外表面２１Ａと対向する第２枠外表面２２Ａと同一平面であり、空間７０Ａに臨む面も含む平面である。
【００４５】
圧力センサー１０Ａは、第１仮想面２１を覆う面に配置される第１ダイヤフラム５０と、第２仮想面２２を覆う面に配置される第２ダイヤフラム６０とをさらに有する。このベース枠体２０Ａ、第１，第２ダイヤフラム５０，６０により、気密空間７０が形成される（図２参照）。気密空間７０内には、第１検出素子３０と第２検出素子４０とが配置される。
【００４６】
図１に示す圧力センサー１０Ａは、第１ダイヤフラム５０に作用する圧力に起因した第１ダイヤフラム５０の変位が、第１検出素子３０にて検出され、第２ダイヤフラム６０に作用する圧力に起因した第２ダイヤフラム６０の変位が、第２検出素子４０にて検出される。
【００４７】
ここで、圧力センサー１０Ａにより検出される関心対象の測定圧力範囲Ｐを図３に示す。図３では、測定圧力範囲Ｐは、例えば大気−真空置換される真空装置内にて変化する圧力であり、上限は標準大気圧に近い例えば１０５Ｐａであり、下限は高真空である例えば１０−３Ｐａである。この測定圧力範囲Ｐは、高圧側の第１圧力範囲Ｐ１と低圧側の第２圧力範囲Ｐ２とを含む。図３では、第１，第２圧力範囲Ｐ１，Ｐ２は互いにオーバーラップする領域を含んでいる。つまり、第１圧力範囲Ｐ１の下限Ｐ１Ｌは第２圧力範囲Ｐ２に属し、第２圧力範囲Ｐ２の上限Ｐ２Ｕは第１圧力範囲Ｐ１に属している。第１圧力範囲Ｐ１の上限Ｐ１Ｕは測定圧力範囲Ｐの上限ＰＵと一致する例えば１０５Ｐａであり、第２圧力範囲Ｐ２の下限Ｐ２Ｌは測定圧力範囲Ｐの下限ＰＬと一致する例えば１０−３Ｐａである。
【００４８】
第１ダイヤフラム５０は、図３に示す少なくとも第１圧力範囲Ｐ１の圧力に応答して、図３に示す特性Ｃ１１に従って変位し、第１ダイヤフラム５０の変位が第１検出素子３０にて検出される。もちろん、第１ダイヤフラム５０は、第１圧力範囲Ｐ１以外の圧力によっても変位するが（図３の破線参照）、第１圧力範囲Ｐ１が測定の関心対象である。
【００４９】
第２ダイヤフラム６０は、図３に示す少なくとも第２圧力範囲Ｐ２の圧力に応答して、図３に示す特性Ｃ１２に従って変位し、第２ダイヤフラム６０の変位が第２検出素子４０にて検出される。もちろん、第２ダイヤフラム６０は第２圧力範囲Ｐ２以外の圧力によっても変位するが（図３の破線参照）、第２圧力範囲Ｐ２が測定の関心対象である。
【００５０】
ここで、第１，第２ダイヤフラム５０，６０の各々は、一方の面に気密空間７０の内圧が作用し、他方の面に外圧が作用し、その内外差圧によって変位することになる。よって、この圧力センサー１０Ａを測定雰囲気に配置したとき、第１，第２ダイヤフラム５０，６０の各々に作用する内圧は等しく、第１，第２ダイヤフラム５０，６０の各々に作用する外圧も等しくなる。従って、第１，第２ダイヤフラム５０，６０の各々にて測定される二系統の測定系にて、その二系統間の圧力差に依存した調整が不要になる。
【００５１】
第１，第２ダイヤフラム５０，６０は、図３に示すよう同一圧力（例えば図３の１．０〜１０Ｐａの範囲の圧力）が作用した時の撓み量が異なる。そのために、本実施形態では第２ダイヤフラム６０の例えば厚さｔ２（図３参照）が、第１ダイヤフラム５０の厚さｔ１（図３参照）よりも薄い（ｔ２＜ｔ１）。それにより、第１，第２ダイヤフラム５０，６０に同一圧力が作用した時、第２ダイヤフラム６０の撓み量は第１ダイヤフラム５０の撓み量よりも大きい。公知の例えば両端固定梁の撓み式から明らかなように、撓み量はダイヤフラム厚の３乗に反比例するからである。第１，第２ダイヤフラム５０，６０の撓み量を変えるには、厚さに代えて、または厚さと共に、他のパラメータ例えばダイヤフラムの大きさ等を変更しても良い。
【００５２】
図３の特性Ｃ１１は、第１ダイヤフラム５０の厚さｔ１を例えば２００μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性であり、図３の特性Ｃ１２は、第２ダイヤフラム６０の厚さｔ２を例えば２０μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性である。第１，第２ダイヤフラム５０，６０の有効径は１０ｍｍである。図３は圧力（横軸）と撓み量（縦軸）の両軸を対数で示す対数グラフである。図３では、特性Ｃ１１，Ｃ１２は例えば直線で表わされる。
【００５３】
ここで、第１ダイヤフラム５０及び第１検出素子３０のみで広範囲の測定圧力範囲Ｐの圧力を検出しようとすると、図３に示すように低圧側ほど第１ダイヤフラム５０の変位量が小さくなって分解能が低下してしまう。つまり、圧力変化に対する撓み量の変化が小さくなるほど、分解能は低くなる。本実施形態では、低圧側の第２圧力範囲Ｐ２の圧力を、第１ダイヤフラム５０よりも例えば薄い第２ダイヤフラム６０により検出している。
【００５４】
第２ダイヤフラム６０は、同一圧力（例えば図３の１．０〜１０Ｐａの範囲の圧力）が作用した時の撓み量が、第１ダイヤフラム５０よりも例えば２桁以上も大きい。つまり、低圧側の圧力は第２ダイヤフラム６０によって第１ダイヤフラム５０よりも高い分解能にて検出できるので、広範囲に亘って比較的高い分解能で圧力検出することができる。
【００５５】
なお、第２ダイヤフラム６０の測定圧力範囲は低圧側の第２圧力範囲Ｐ２であるので、例えば大気圧に近い圧力では第２ダイヤフラム６０が撓まないように第１ストッパー部８０（後述する図４及び図５参照）を設けることができる。こうして、第２ダイヤフラム６０での関心圧力範囲である第２圧力範囲Ｐ２の上限Ｐ２Ｕを機械的に設定することができる。なお、第１ダイヤフラム５０にも同様にストッパー部を設けても良いが、測定雰囲気が大気圧よりも過度な高くならないなであれば、第１ダイヤフラム５０にストッパー部を設けることは必ずしも要しない。このとき、第１ダイヤフラム５０は、１０＋５Ｐａ（ほぼ標準大気圧）でのひずみ量は０．２ｍｍ（２００μｍ）程度である。ダイヤフラムは、厚さと同程度のひずみ量までは、ヒステリシスが残らず、破壊することもないので、第１ダイヤフラム５０は大気圧でも耐性を有することができる。また、第２圧力範囲Ｐ２の上限Ｐ２Ｕを機械的に設定する第１ストッパー部（図４及び図５）は必ず必要であるわけでなく、第２ダイヤフラム６０が第１圧力範囲Ｐ１でも耐性を有すれば不要である。
【００５６】
１．２．具体的構造
図１に示すように、四角枠状のベース枠体２０Ａは、第１仮想面２１に位置する第１枠外表面２１Ａと、第２仮想面２２に位置する第２枠外表面２２Ａとを含む。
【００５７】
圧力センサー１０Ａは、ベース枠体２０Ａの第１枠外表面２１Ａに接合され、第１検出素子３０を支持した第１支持枠体３２をさらに有する。圧力センサー１０Ａは、ベース枠体２０Ａの第２枠外表面２２Ａに接合され、第２検出素子４０を支持した第２支持枠体４２をさらに有する。これら第１，第２支持枠体３２，４２は、第１，第２検出素子３０，４０を含めて同一のものを使用して、部品の共通化を図ることができる。
【００５８】
圧力センサー１０Ａは、第１支持枠体３２に接合され、図３に示す少なくとも第１圧力範囲Ｐ１に応答して変位する第１ダイヤフラム５０を含む第１蓋体５２を有する。同様に、圧力センサー１０Ａは、第２支持枠体４２に接合され、少なくとも第２圧力範囲Ｐ２の圧力に第１ダイヤフラム５０よりも高い分解能にて応答して変位する第２ダイヤフラム６０を含む第２蓋体６２を有する。なお、第１，第２ダイヤフラム５０，６０は、第１，第２蓋体５２，６２の底面全域に形成するものに限らず、例えば中心円形領域等の一部を薄肉として形成しても良い。
【００５９】
ベース枠体２０Ａ、第１，第２支持枠３２，４２及び第１，第２蓋体５２，６２は、それぞれで囲まれた空間７０Ａ〜７０Ｅを有する。ベース枠体２０Ａ、第１，第２支持枠３２，４２及び第１，第２蓋体５２，６２を接合することで、空間７０Ａ〜７０Ｅは気密空間７０とされる。ベース枠体２０Ａ、第１，第２支持枠３２，４２及び第１，第２蓋体５２，６２は例えば接着剤で接着して気密構造とすることができる。圧力センサー１０Ａの組立を真空中で行なうか、あるいは圧力センサー１０Ａの組立後に気密空間７０を真空引きすることで、気密空間７０を真空にすることができる。圧力センサー１０Ａの組立後の真空引きは、気密空間７０に収容したゲッター材による気体の吸着作用や、あるいは気密空間に連通する孔を介して行うことができる。連通孔は、真空引き後に封止される。
【００６０】
ここで、気密空間７０は、測定圧力範囲Ｐの下限の圧力ＰＬよりも２桁以上低い圧力に設定することができる。本実施形態では、測定圧力範囲Ｐの下限の圧力ＰＬが１０−３Ｐａであるので、気密空間７０の圧力は１０−５Ｐａよりも低い圧力に設定することができる。
【００６１】
こうすると、測定圧力範囲Ｐ内の圧力が外圧として作用する時には常に、気密空間７０内の内圧と外圧との充分な圧力差を常に生じさせて、しかも内圧を外圧よりも常に低くすることができ、第１及び第２ダイヤフラム５０，６０を内向きに変位させて圧力測定することができる。
【００６２】
図１に示す圧力センサー１０Ａは、第１ダイヤフラム５０に作用する圧力に起因した第１ダイヤフラム５０の変位が、第１検出素子３０にて検出され、第２ダイヤフラム６０に作用する圧力に起因した第２ダイヤフラム６０の変位が、第２検出素子４０にて検出される。
【００６３】
ここで、本実施形態では、第１，第２検出素子３０，４０をそれぞれ振動子、特に水晶振動子等の圧電振動子、より好ましくは双音叉型水晶振動子にて形成することができる。振動子３０，４０は、周知のように軸方向に応力が生じると共振周波数が変化するので、この周波数変化を測定すれば、周波数変化に応じた応力発生の原因である圧力値を求めることができる。なお、第１，第２検出素子３０，４０をそれぞれ振動子で形成する場合、第１，第２のダイヤフラム５０，６０の厚さの関係と同様にして、第１検出素子３０よりも第２検出素子４０を薄く形成すると良い。薄い第２のダイヤフラム６０の変位を第２の検出素子４０に伝達しやすくなるからである。
【００６４】
第１，第２検出素子３０，４０をそれぞれ振動子にて形成する場合、図２に示すように、第１蓋体５２には、例えば２つの第１伝達部５４が第１ダイヤフラム５０より突出して設けられる。同様に、第２蓋体６２には、第２伝達部６４が第２ダイヤフラム６０より突出して設けられる。第１伝達部５４は第１ダイヤフラム５０の変位を第１検出素子３０に伝達し、第２伝達部６４は第２ダイヤフラム６２の変位を第２検出素子４０に伝達する。
【００６５】
このように、圧力センサー１０Ａを、ベース枠体２０Ａ、第１，第２支持枠体３２，４２及び第１，第２蓋体５２，６２にて形成することで、気密空間７０内に第１，第２検出素子３０，４０を容易に配置することができる。
【００６６】
１．３．第１ストッパー部
図４は第１ストッパー部８０をさらに有する圧力センサー１０Ｂの分解斜視図であり、図５は図４に示す圧力センサー１０Ｂの断面図である。なお、図４及び図５において、図１及び図２に示す部材と同一機能を有するベース枠体２０Ａ、第１，第２支持枠体３２，４２及び第１，第２蓋体５２，６２については、図１及び図２と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６７】
第１ストッパー部８０は、第２ダイヤフラム６０での関心圧力範囲である第２圧力範囲Ｐ２の上限Ｐ２Ｕを機械的に設定するものである。第１ストッパー部８０は、例えば、第２支持枠体４２と第２蓋体６２との間に配置される第１ストッパー支持枠体８２に設けることができる。
【００６８】
第１ストッパー部８０は、第２ダイヤフラム６０と対向する面に第１ストッパー面８４を有する。第１ストッパー面８４と第２ダイヤフラム６０との間の隙間ｇ１は、図３に示す第２圧力範囲Ｐ２の上限Ｐ２Ｕよりも高い圧力が作用した時に零となり、それにより第２ダイヤフラムの変位が規制される。なお、第１ストッパー支持枠体８２が増設される場合、第２蓋体６２に設けられる第２伝達部６４Ａの突出高さは、図２に示す第２蓋体６２の第２伝達部６４よりも第１ストッパー支持枠体８２の厚さ分だけ高く形成される。
【００６９】
このように、本実施形態の圧力センサー１０Ａ，１０Ｂは、基本構造（ベース枠体２０Ａ、第１，第２支持枠体３２，４２及び第１，第２蓋体５２，６２）の設計思想を共通として、部材の共用化が図られる。そして、測定圧力範囲に応じて、第１，第２ダイヤフラム３０，４０の板厚ｔ１，ｔ２設定し、必要により圧力センサー１０Ａに第１ストッパー支持枠８２を追加することで、図３のような広範囲の測定圧力範囲Ｐをカバーできる。
【００７０】
第１ストッパー部８０は、圧電振動子で形成された第２検出素子４０の振動を許容するために、第２検出素子４０と対向する面に第１逃げ部８６を設けることができる。こうして、第１ストッパー部８０が第２検出素子４０と干渉しないようにすることができる。
【００７１】
なお、第１ダイヤグラム５０についてもストッパー部が必要である時には、第１ストッパー部８０と同様にして、例えばベース枠体２０Ａと第１支持枠体３２との間に、第１ストッパー支持枠体８２と同様なストッパー支持枠体を配設しても良い。
【００７２】
なお、圧力センサー１０Ａ，１０Ｂを形成するベース枠体２０Ａ、第１，第２支持枠体３２，４２、第１，第２蓋体５２，６２または第１ストッパー支持枠体８２は、例えば水晶にて形成することができる。
【００７３】
２．第２実施形態
図６第２実施形態に係る圧力センサー１０Ｃの分解斜視図であり、図７及び図８は図６に示す圧力センサー１０Ｃのそれぞれ異なる断面を示す断面図である。図６において、ベース枠２０Ｂは、例えば直交二軸の各軸にてそれぞれ対向する二面、計四面にて第１〜第４仮想面２１，２２，２３，２４を有する。つまり、ベース枠体２０Ｂは、第１実施形態のベース枠体２０Ａと比較して、第３，第４仮想面２３，２４が追加されている。
【００７４】
換言すれば、第２実施形態は第１実施形態よりも１以上の仮想面が追加された実施形態を示している。つまり、ベース枠体２０Ｂは、第ｋ仮想面（ｋは３≦ｋ≦Ｎを満たす１つ以上の整数で、Ｎは３≦Ｎを満たす整数）をさらに規定することができる。この場合、圧力センサー１０Ｃは、第１実施形態の構造について追加して、第ｋ仮想面を覆う面に配置される第ｋダイヤフラムと、密閉空間に配置される第ｋ検出素子とをさらに有することができる。そして、第ｋダイヤフラムは、第（ｋ−１）圧力範囲よりも低圧側を含む第ｋ圧力範囲の圧力に、第（ｋ−１）ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位し、第ｋダイヤフラムの変位が第ｋ検出素子にて検出される。このように、ダイヤフラムの数を増大させることで、測定圧力範囲Ｐを拡大させ、あるいは測定圧力範囲Ｐ内での分解能を高めることができる。
【００７５】
２．１．Ｎ＝４の実施形態
Ｎ＝４の例である図６では、ベース枠体２０Ｂは、第１，第２仮想面２１，２２については、図７に示すように、ベース枠体２０Ｂがベース枠体２０Ａと形状が相違する点を除いて、図５と同様な構造を示している。なお、図６及び図７において、図５に示す部材と同一機能を有する第１，第２支持枠体３２，４２、第１，第２蓋体５２，６２及び第１ストッパー支持枠体８２については、図５と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００７６】
図６及び図８に示すように、この圧力センサー１０Ｃは、第ｋ仮想面である第３，第４仮想面２３，２４と、第ｋ仮想面を覆う面に配置される第ｋダイヤフラムである第３，第４ダイヤフラム１００，１１０と、気密空間９０に配置される第ｋ検出素子である第３，第４検出素子１２０，１３０と、をさらに有する。
【００７７】
図９は、図６〜図８に示す圧力センサー１０Ｃの測定圧力範囲Ｐと、その測定圧力範囲Ｐに含まれる第１〜第４圧力範囲Ｐ１〜Ｐ４を示している。この場合、第３ダイヤフラム１００は、測定圧力範囲Ｐのうちの第２圧力範囲Ｐ２よりも低圧側を含む少なくとも第３圧力範囲Ｐ３の圧力に、第２ダイヤフラム６０よりも高い分解能にて応答して変位し、第３ダイヤフラム１００の変位が第３検出素子１２０にて検出される。
【００７８】
同様に、第４ダイヤフラム１１０は、測定圧力範囲Ｐのうちの第３圧力範囲Ｐ３よりも低圧側を含む少なくとも第４圧力範囲Ｐ４の圧力に、第３ダイヤフラム１００よりも高い分解能にて応答して変位し、第４ダイヤフラム１１０の変位が第４検出素子１３０にて検出される。
【００７９】
ここで、第１ダイヤフラム５０の厚さｔ１、第２ダイヤフラム６０の厚さｔ２、第３ダイヤフラム１００の厚さｔ３及び第４ダイヤフラム１１０の厚さｔ４の関係は、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３＞ｔ４となっている。これら第１〜第４ダイヤフラム５０，６０，１００，１１０を用いて測定される第１〜第４圧力範囲Ｐ１〜Ｐ４は、互いにオーバーラップする領域を含んでいる。つまり、第１〜第３圧力範囲Ｐ１〜Ｐ３の下限Ｐ１Ｌは、第２〜第４圧力範囲Ｐ２〜Ｐ４にそれぞれに属し、第２〜第４圧力範囲Ｐ２〜Ｐ４の上限は第１〜第３圧力範囲Ｐ１〜Ｐ３にそれぞれ属している。第１圧力範囲Ｐ１の上限は測定圧力範囲Ｐの上限ＰＵと一致する例えば１０５Ｐａであり、第４圧力範囲Ｐ４の下限は測定圧力範囲Ｐの下限ＰＬと一致する例えば１０−３Ｐａである。
【００８０】
第１〜第４ダイヤフラム５０，６０，１００，１１０の各々は、一方の面に気密空間９０の内圧が作用し、他方の面に外圧が作用し、その内外差圧によって変位することになる。よって、この圧力センサー１０Ｃを測定雰囲気に配置したとき、第１〜第４ダイヤフラム５０，６０，１００，１１０の各々に作用する内圧は等しく、第１〜第４ダイヤフラム５０，６０，１００，１１０の各々に作用する外圧も等しくなる。従って、第１〜第４ダイヤフラム５０，６０，１００，１１０の各々にて測定される四系統の測定系にて、その四系統間の圧力差に依存した煩雑な調整が不要になり、測定精度が向上する。
【００８１】
図９の特性Ｃ２１は第１ダイヤフラム５０の厚さｔ１を例えば２００μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性であり（図３の特性Ｃ１１と同じ）、特性Ｃ２２は第２ダイヤフラム６０の厚さｔ２を例えば９２．８μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性であり、特性Ｃ２３は第３ダイヤフラム１００の厚さｔ３を例えば４３μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性であり、特性Ｃ２４は第４ダイヤフラム１１０の厚さｔ４を例えば２０μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性である（図３の特性Ｃ１２と同じ）。なお、ダイヤフラムの有効直径はいずれもφ１０ｍｍとした。また、図９は図３と同様に圧力（横軸）と撓み量（縦軸）の両軸を対数で示す対数グラフである。
【００８２】
ここで、図９を図３と比較すると、同一の測定圧力範囲Ｐ内の圧力を測定する時に、図９では特に１０〜１０＋４Ｐａ付近の圧力を特性Ｃ２２，Ｃ２３を利用して検出できる。それにより図３よりも高い分解能で圧力測定できるため、測定精度をより向上させることができる。あるいは、２つのダイヤフラムにより測定される圧力範囲よりも、４つのダイヤフラムにより測定される圧力範囲を拡大することができ、ダイナミックレンジを広げることができる。
【００８３】
圧力センサー１０Ｃは、第２圧力範囲Ｐ２の上限よりも高い圧力が作用した時に、第２ダイヤフラム６０の変位を規制する第１ストッパー部８０に加えて、第２，第３ストッパー部１４０，１５０をさらに有することができる。第２ストッパー部１４０は、第３圧力範囲Ｐ３の上限よりも高い圧力が作用した時に第３ダイヤフラム１００の変位を規制し、第３ストッパー部１５０は第４圧力範囲Ｐ４の上限よりも高い圧力が作用した時に第４ダイヤフラム１１０の変位を規制する。
【００８４】
第２ストッパー部１４０は、第３ダイヤフラム１００と対向する面に第２ストッパー面１４４を有する。第２ストッパー面１４４と第３ダイヤフラム１００との間の隙間ｇ２は、図９に示す第３圧力範囲Ｐ３の上限よりも高い圧力が作用した時に零となり、それにより第３ダイヤフラム１００の変位が規制される。この第２ストッパー部１４０により、第３ダイヤフラム１００は、その厚さｔ３＝４３μｍと実質的に同じ撓み量を超えて撓むことがないように規制できる。
【００８５】
同様に、第３ストッパー部１５０は、第４ダイヤフラム１１０と対向する面に第３ストッパー面１５４を有する。第３ストッパー面１５４と第４ダイヤフラム１１０との間の隙間ｇ３は、図９に示す第４圧力範囲Ｐ４の上限よりも高い圧力が作用した時に零となり、それにより第４ダイヤフラム１１０の変位が規制される。この第３ストッパー部１５０により、第４ダイヤフラム１１０は、その厚さｔ４＝２０μｍと実質的に同じ撓み量を超えて撓むことがないように規制できる。
【００８６】
より具体的には、圧力センサー１０Ｃは、第１〜第４支持枠体３２，４２，１２２，１３２を有することができる。第１支持枠体３２はベース枠体２０Ｂの第１枠外表面２１Ａに、第２支持枠体４２はベース枠体２０Ｂの第２枠外表面２２Ａに、第３支持枠体１２２はベース枠体２０Ｂの第３枠外表面２３Ａに、第４支持枠体１３２はベース枠体２０Ｂの第４枠外表面２４Ａに、それぞれ接合される。そして、第１〜第４支持枠体３２，４２，１２２，１３２に、第１〜第４検出素子３０，４０，１２０，１３０がそれぞれ支持される。
【００８７】
圧力センサー１０Ｃはさらに、第１ダイヤフラム５０を含む第１蓋体５２と、第２ダイヤフラム６０を含む第２蓋体６２と、第３ダイヤフラム１００を含む第３蓋体１０２と、第４ダイヤフラム１１０を含む第４蓋体１１２と、を有することができる。第１〜第４検出素子３０，４０，１２０，１３０がそれぞれ圧電振動子であるとき、第１〜第４蓋体５２，６２，１０２，１１２には、それぞれ第１〜第４伝達部５４，６４，１０４，１１４が設けられる。
【００８８】
圧力センサー１０Ｃはさらに、第２ダイヤフラム６０の変位を規制する第１ストッパー部８０を支持する第１ストッパー支持枠体８２と、第３ダイヤフラム１００の変位を規制する第２ストッパー部１４０を支持する第２ストッパー支持枠体１４２と、第４ダイヤフラム１１０の変位を規制する第３ストッパー部１５０を支持する第３ストッパー支持枠体１５２と、をさらに有することができる。第１ストッパー支持枠体８２は第２支持枠体４２と第２蓋体６２との間に設け、第２ストッパー支持枠体１４２は第３支持枠体１２２と第３蓋体１０２との間に設け、第３ストッパー支持枠体１５２は第４支持枠体１３２と第４蓋体１１２との間に設けることができる。
【００８９】
ここで、第１〜第３ストッパー部８０，１４０，１５０は、第２〜第４検出素子４０，１２０，１３０がそれぞれ圧電振動子である場合に、第２〜第４検出素子４０，１２０，１３０と対向する位置に第１〜第３逃げ部８６，１４６，１５６を有することができる。
【００９０】
図７及び図８に示す気密空間９０は、少なくともベース枠体２０Ｂ、第１〜第４蓋体５２，６２，１０２，１１２にて形成できるが、図６に示すようにベース枠体２０Ｂが第１〜第４仮想面２１〜２４以外の例えば二面に非密閉面を有する場合には、その非密閉面を蓋体１６０，１６２にて密閉することができる。この時、一方の蓋体１６０の内面側にゲッター材１６４を配置することができる。ゲッター材１６４は、圧力センサー１０Ｃの組立後に気密空間９０を負圧に設定する。
【００９１】
２．２．Ｎ＝３の実施形態
Ｎ＝３の例である図１０及び図１１に示す圧力センサー１０Ｄは、ベース枠体２０Ｃの例えば第４仮想面２４が蓋体１７０で閉鎖される点を除いて、図６と同一の構造を有する。なお、図１０において、図６に示す部材と同一機能を有する第１〜第３支持枠体３２，４２，１２２、第１〜第３蓋体５２，６２，１０２及び第１，第２ストッパー支持枠体８２，１４２については、図６と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００９２】
このとき、第１〜第３ダイヤフラム５０，６０，１００を用いた圧力−ひずみ量特性の一例を図１２に示す。
【００９３】
図１２の特性Ｃ３１は第１ダイヤフラム５０の厚さｔ１を例えば２００μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性であり（図３の特性Ｃ１１及び図９の特性Ｃ２１と同じ）、特性Ｃ３２は第２ダイヤフラム６０の厚さｔ２を例えば６５μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性であり、特性Ｃ３３は第３ダイヤフラム１００の厚さｔ３を例えば２０μｍとしたときの圧力−ひずみ量特性である（図３の特性Ｃ１２及び図６の特性Ｃ２４と同じ）。なお、ダイヤフラムの有効直径はいずれもφ１０ｍｍとした。また、図１２は図３及び図６と同様に、圧力（横軸）と撓み量（縦軸）の両軸を対数で示す対数グラフである。
【００９４】
ここで、図１２を図３と比較すると、同一の測定圧力範囲Ｐ内の圧力を測定する時に、図１２では特に１０〜１０＋３Ｐａ付近の圧力は特性Ｃ３２を利用して検出できる。それにより、図６よりは分解能は低いが、図３よりも高い分解能で圧力測定できるため、測定精度をより向上させることができる。
【００９５】
２．３．他の実施形態
図６または図１０において、ベース枠体２０Ｂの第１〜第４仮想面２１〜２４のうち、任意の２面を図１０に示す蓋体１７０にて密閉することができる。こうすると、図３に示す第１，第２圧力範囲Ｐ１，Ｐ２に設定することで全圧力範囲Ｐの圧力を測定することができる。
【００９６】
また、ベース枠体の側面は、図１に示す２つの仮想面２１，２２を有する二面体以外に、図６に示す４つの仮想面２１〜２４を有する四面体の他、三面体や五面体にすることもできる。これらの多面体の仮想面のうち少なくとも二面以上にセンサー部を形成すれば良い。換言すれば、ベース枠体は、第１〜第Ｍ仮想面（Ｍは２〜４の中の整数）に加えて、少なくとも一つの第（Ｍ＋１）仮想面を規定し、少なくとも一つの（Ｍ＋１）仮想面を蓋体にて覆うことで、気密空間を形成することができる。その蓋体をセンサー部に変更することで、測定圧力範囲Ｐを増大させ、あるいは同一測定圧力範囲Ｐ内での分解能を高めることができる。なお、本発明はＭ＝５以上にも適用することができる。
【００９７】
３．第３実施形態
図１３は第３実施形態に係る圧力センサー１０Ｅの分解斜視図であり、図１４及び図１５は圧力センサー１０Ｅの異なる断面を示している。この第３実施形態は、図６に示す実施形態と同一機能を、検出素子の検出原理を圧電変換から容量変換に変更して実現したものである。
【００９８】
図１３において、ベース枠体２０Ｂ、蓋体１６０，１６２は図６に示す部材と同一である。ベース枠体２０Ｂの第１〜第４仮想面２１〜２４（第１〜第４枠外表面２１Ａ〜２４Ａ）に第１〜第４支持枠体２０２〜２３２が接合される。第１〜第４支持枠体２０２〜３２３に支持される第１〜第４検出素子２００〜２３０が、容量素子を形成する一対の電極の一方の電極２００Ａ〜２３０Ａと、それを支持する第１〜第４電極支持部２００Ｂ〜２３０Ｂを有する。
【００９９】
第１〜第４支持枠体２０２〜２３２に接合される第１〜第４蓋体２４２〜２７２が第１〜第４ダイヤフラム２４０〜２７０を含む。この第１〜第４ダイヤフラム２４０〜２７０には、容量素子を形成する一対の電極の他方の電極２４０Ａ〜２７０Ａを有する。そして、外圧によって第１〜第４ダイヤフラム２４０〜２７０が変位すると、一方の電極２００Ａ〜２３０Ａと、それらと対向する他方の電極２４０Ａ〜２７０Ａとの間のギャップ量が変化する。それにより容量値が変化することで、圧力に応じた電気信号を取り出すことができる。
【０１００】
同様にして、図１に示す第１，第２検出素子３０，４０や、図１０に示す第１〜第３検出素子３０，４０，１２０を、それぞれ容量（一対の電極）を形成する一方の電極とし、それと対向する位置にて第１〜第３ダイヤフラム５０，６０，１００に他方の電極を形成しても良い。
【０１０１】
なお、この第３実施形態では図４、図６、図１０に示す第１〜第３ストッパー支持枠体８２，１４２，１５２は必ずしも必要ではない。図１４及び図１５において、第１〜第４ダイヤフラム２４０〜２７０と、それと対向する第１〜第４電極支持部２００Ｂ〜２３０Ｂとの間のギャップＧ１〜Ｇ４（図１４及び図１５参照）は、第１〜第４ダイヤフラム２４０〜２７０が過度に変位することで零になり、ストッパーの機能が果たせるからである。つまり、第１〜第３ストッパーは、必ずしも第１〜第３ストッパー支持枠体に配置されるものに限らない。なお、本実施形態では、ギャップＧ１〜Ｇ４は、一対の電極間よりも広い絶縁面間のギャップとした。これにより、ギャップＧ１〜Ｇ４がそれぞれ零になっても、一対の電極同士がショートすることがない。この他、一対の電極表面の一方または双方を絶縁膜で覆うものでも良い。
【０１０２】
４．第４実施形態
図１６は、上述した圧力センサーを真空装置に取り付ける一例の構造を示している。図１６は、例えば図３、図１０及び図１３に示す圧力センサー１０Ｃ〜１０Ｅのいずれか一つを含むゲージヘッド３００の斜視図である。
【０１０３】
このゲージヘッド３００は、フランジ３１０と、フランジ３１０に固定される基板３２０と、基板３２０に固定される圧力センサー１０Ｃ〜１０Ｅとを有する。圧力センサー１０Ｃ〜１０Ｅは、上述した第１〜第４検出素子（３０，４０，１２０，１３０，２００〜２３０）に接続される配線部３３０が基板３２０に配線されることで基板３２０に固定でされる。
【０１０４】
フランジ３１０の周方向には複数の孔３１２が形成されている。圧力センサー１０Ｃ〜１０Ｅは、図示しない真空装置の開口を介して真空装置内に配置される。このとき、フランジ３１０は、シールパッキンを介して開口の周囲の壁部に重ねられ、複数の孔３１２に挿通される複数のボルトを締結することで、フランジ３１０が真空装置の壁部に固定される。第１〜第４検出素子（３０，４０，１２０，１３０，２００〜２３０）からの信号は大気側にてモニターすることができ、真空装置内の圧力を外部からモニターすることが可能となる。他の実施形態の圧力センサー１０Ａ，１０Ｂも同様にして真空装置に取り付けることができる。
【０１０５】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。
【０１０６】
例えば、検出素子は音叉型水晶振動子が好ましいが、他の圧電振動子や上述した容量検出素子（一対の電極の一方の電極）の他、ダイヤフラムの変位を検出できるものであれば良く、例えば歪ゲージ等でも良い。
【符号の説明】
【０１０７】
１０Ａ〜１０Ｅ  圧力センサー、２０Ａ，２０Ｂ  ベース枠体、３０  第１検出素子、３２  第１支持枠体、４０  第２検出素子、４２  第２支持枠体、５０  第１ダイヤフラム、５２  第１蓋体、５４  第１伝達部、６０  第２ダイヤフラム、６２  第２蓋体、６４  第２伝達部、７０，９０  気密空間、８０  第１ストッパー部、８２  第１ストッパー支持枠体、８４  第１ストッパー面、８６  第１逃げ部、１００  第３ダイヤフラム、１０２  第３蓋体、１０４  第３伝達部、１１０  第４ダイヤフラム、１１２  第４蓋体、１１４  第４伝達部、１２０  第３検出素子、１２２  第３支持枠体、１３０  第４検出素子、１３２  第４支持枠体、１５０  第３ストッパー部、１５２  第３ストッパー支持枠体、１５４  第３ストッパー面、１５６  第３逃げ部、１６０，１６２，１７０蓋体、１６４  ゲッター材、２００〜２３０  第１〜第４検出素子、２００Ａ〜２３０Ａ  一方の電極、２００Ｂ〜２３０Ｂ  第１〜第４電極支持部、２０２〜２３２  第１〜第４支持枠体、２４０〜２７０  第１〜第４ダイヤフラム、２４０Ａ〜２７０Ａ  他方の電極、２４２〜２７２  第１〜第４蓋体
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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