(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定系に設置される圧力測定用フィラメントと、
前記圧力測定用フィラメントに少なくとも２つの異なる値の定電流を供給する定電流供給手段と、
前記圧力測定用フィラメントの出力電圧が所定の切替閾値になった時、低圧力側で低い定電流を供給し高圧力側で高い定電流を供給するよう、前記定電流供給手段の定電流値を切替える定電流切替制御手段と
前記圧力測定用フィラメントの出力電圧に対応した圧力を定電流値毎に記憶するテーブルと、
前記定電流切替制御手段によって切替えられた定電流値と前記出力電圧とに基づいて前記テーブルを参照し、前記圧力を出力する圧力出力手段と
を有し、測定する圧力が上昇する場合における前記切替閾値は、測定する圧力が下降する場合における前記切替閾値に比べて低く設定されている定電流型ピラニ真空計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の熱伝導率を利用して被測定系の圧力を測定するピラニ真空計に関し、詳しくは測定用フィラメントに定電流を流す定電流型ピラニ真空計に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空に近い被測定系（気体）中に金属細線からなるフィラメントを張って通電加熱した時、フィラメントから奪われる熱量が気体圧力に応じて変化することを利用し、気体の圧力を測定するピラニ真空計が広く知られている。これは、気体の熱伝導率が圧力によって変化するためであり、ピラニ真空計はフィラメントの温度変化を抵抗の変化として捉えるものである。
ピラニ真空計として、被測定系にフィラメントを配置し、このフィラメントをブリッジ回路の１辺とする定温型ピラニ真空計がある（例えば、特許文献１〜３参照）。この定温型ピラニ真空計は、被測定系の圧力変化（フィラメントの抵抗変化）に起因してブリッジに非平衡電圧（電流）が生じると、ブリッジが平衡状態になるようにブリッジ電圧（電流）を制御し、フィラメント温度を一定に保つように電力を供給する。このように、定温度型ピラニ真空計は、気体の持ち去る損失エネルギーを直接測定し、フィラメントに加えられる電力値と気体圧力との間の比例関係を利用して圧力を算出するようになっている。
【０００３】
一方、フィラメントに常に一定電流を供給する定電流型ピラニ真空計も従来から知られている。定電流型ピラニ真空計は、フィラメントに一定電流を流した時、フィラメント両端にかかる電圧がフィラメントの抵抗（気体の圧力）に応じて変化することから、フィラメント両端の電圧と気体圧力との間の比例関係を利用して圧力を算出するようになっている。定電流型ピラニ真空計の圧力測定範囲は、通常、0.1Pa〜100Paである。
【０００４】
【特許文献１】特開平6-66662号公報
【特許文献２】特開平7-120339号公報
【特許文献３】特開2005-114574号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、定温度型ピラニ真空計の場合、フィラメントを有するセンサー部がブリッジの一部をなすため、センサー部と制御系（真空計本体）が離れている場合には、お互いを長いケーブルで繋がざるを得ず、ケーブルの抵抗値の分だけ測定精度が低下する。特に、粒子加速器等の放射線が発生する環境の真空圧力を測定する場合、センサー部と制御系との距離を大きくする必要があるので、上記した問題が顕在化する。又、上記特許文献３記載の技術は、ケーブルの抵抗値を補償するものであるが、回路系が複雑になりコストアップとなる可能性がある。
【０００６】
一方、定電流型ピラニ真空計の測定範囲は、0.1Pa〜100Paが一般的であり、測定範囲が狭いという問題がある。特に、従来の定電流型ピラニ真空計の場合、大気圧に近い圧力、例えば1,000Pa程度の圧力の測定精度が大幅に低下し、実用に耐えないという問題がある。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、フィラメントを有するセンサー部と制御系とが離れていても測定精度が高く、構造が簡易で、かつ圧力の測定範囲が広い定電流型ピラニ真空計の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の定電流型ピラニ真空計は、被測定系に設置される圧力測定用フィラメントと、前記圧力測定用フィラメントに少なくとも２つの異なる値の定電流を供給する定電流供給手段と、前記圧力測定用フィラメントの出力電圧が所定の切替閾値になった時、低圧力側で低い定電流を供給し高圧力側で高い定電流を供給するよう、前記定電流供給手段の定電流値を切替える定電流切替制御手段と、前記圧力測定用フィラメントの出力電圧に対応した圧力を定電流値毎に記憶するテーブルと、前記定電流切替制御手段によって切替えられた定電流値と前記出力電圧とに基づいて前記テーブルを参照し、前記圧力を出力する圧力出力手段とを有し、測定する圧力が上昇する場合における前記切替閾値は、測定する圧力が下降する場合における前記切替閾値に比べて低く設定されている。
通常、所定の定電流値において、被測定系の圧力が高くなるほど出力電圧が低下する関係にあるが、圧力が高くなると電圧変化が小さくなり、高圧力側で測定精度が低下する。一方、定電流値を高くすると、出力電圧と圧力との関係を示す曲線が高圧力側へシフトする。従って、圧力に応じて定電流を変えることで、広い圧力範囲で精度よく圧力を測定できるようになる。
又、このようにすると、昇圧時と降圧時とで出力電圧と圧力との関係にヒステリシスが生じることに起因する切替閾値のずれを解消し、測定精度を向上することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フィラメントを有するセンサー部と制御系とが離れていても測定精度が高く、構造が簡易で、かつ圧力の測定範囲を広くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る定電流型ピラニ真空計の構成図である。この図において、定電流型ピラニ真空計１００は、圧力測定用フィラメント２と、定電流供給手段４，５と、定電流切替制御手段（ＣＰＵ：中央演算処理素子）１０と、後述するデータを記憶するテーブル１２と、圧力出力手段（表示部４０、Ｉ／Ｆ部４４）とを備えている。
圧力測定用フィラメント２は白金の細線等からなり、被測定系に設置される。圧力測定用フィラメント２の両端は定電流源４に接続されて定電流が供給される。圧力測定用フィラメント２の両端は又、オペアンプ２０の２個の入力端子に接続され、オペアンプ２０は圧力測定用フィラメント２の両端の電圧差を増幅してＡ／Ｄコンバータ１４に出力する。
【００１２】
定電流源４は例えば３端子レギュレータＩＣ（定電圧ＩＣ）を有し、このＩＣは所定の２端子間の電位差を一定に保つ。従って、この２端子間に所定の抵抗を接続することにより、一定電流（定電流）が供給される。この実施形態では、定電流源４には、並列接続された複数の異なる抵抗５ａ、５ｂ、５ｃを有する定電流切替部５が接続されている。そして、抵抗５ａ、５ｂ、５ｃのいずれかを選択的に定電流源４に回路接続させることにより、定電流源４の内部抵抗を変化させて定電流値を変えるようになっている。
【００１３】
具体的には、定電流切替部５は異なる抵抗値を持つ抵抗５ａ、５ｂ、５ｃを並列接続してなり、さらに抵抗５ｂと直列にスイッチ５ｘが接続され、抵抗５ｃと直列にスイッチ５ｙが接続されている。従って、スイッチ５ｘ、５ｙをオフすることにより、抵抗５ａのみが定電流源４に回路接続され、この時の内部抵抗に応じて定電流源４から定電流Ｉ１が供給される。一方、スイッチ５ｘをオンし、スイッチ５ｙをオフすると、抵抗５ａ、５ｂが定電流源４に並列に回路接続され、この時の内部抵抗に応じて定電流源４から定電流Ｉ２が供給される。又、スイッチ５ｘ、５ｙをオンすると、抵抗５ａ、５ｂ、５ｃが定電流源４に並列に回路接続され、この時の内部抵抗に応じて定電流源４から定電流Ｉ３が供給される。このようにして、この実施形態においては、定電流供給手段４，５から３つの異なる値の定電流Ｉ１〜Ｉ３を圧力測定用フィラメント２に供給するようになっている。
【００１４】
なお、スイッチ５ｘ、５ｙは、例えばＦＥＴ等のトランジスタを用いることができ、ＣＰＵ１０からの命令９によってスイッチ５ｘ、５ｙがオン・オフ制御される。
定電流供給手段は、２つ以上の異なる値の定電流を供給できるものであれば、上記構成に限定されず、例えば各種の可変抵抗を定電流切替部５として用いることもできる。
【００１５】
テーブル１２は例えばＲＯＭ等の半導体メモリからなり、圧力測定用フィラメント２の出力電圧に対応した圧力を定電流値毎に記憶する。
圧力測定用フィラメント２を被測定系に設置して定電流を流すと、フィラメント両端に電圧が印加される。フィラメント２の抵抗は被測定系の圧力に応じて変化するため、フィラメント２に印加される電圧も圧力に応じて変化する。そのため、所定の定電流について、圧力既知の被測定系内のフィラメント２の出力電圧を予め測定し、テーブル１２に出力電圧と圧力との関係を記憶しておくと、フィラメント２の出力電圧から被測定系の圧力を算出することができる。
【００１６】
ここで、図２の曲線Ｌ１に示すように、所定の定電流値Ｉ１において、被測定系の圧力が高くなるほど出力電圧が低下する関係にあるが、圧力がＰ１より高くなると電圧変化が小さくなり、高圧力側で測定精度が低下する。一方、定電流値をＩ１からＩ２に高くすると、出力電圧と圧力との関係を示す曲線Ｌ２も高圧力側へシフトする。従って、曲線Ｌ１において電圧変化が小さくなる圧力Ｐ１付近で曲線をＬ２へ変え、Ｐ１より高圧力側では曲線Ｌ２を使用することにより、広い圧力範囲で精度よく測定できるようになる。同様に、曲線Ｌ２において電圧変化が小さくなる圧力Ｐ２付近では曲線をＬ３（定電流値Ｉ３に対応）へ変え、Ｐ２より高圧力側では曲線Ｉ３を使用する。
このように、圧力測定用フィラメント２に流す定電流を変えることにより、圧力の測定範囲を広くすることができる。
【００１７】
従って、テーブル１２は、定電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３毎に、出力電圧と圧力との関係を記憶すると共に、測定に使用する曲線を切り替えるための切替閾値（圧力Ｐ１，Ｐ２、又は各圧力に対応する出力電圧Ｖ１，Ｖ２）を定電流値毎に記憶するようになっている。
さらに、後述するように、圧力が上昇する時と下降する時とで、出力電圧（圧力）にヒステリシスが生じるため、テーブル１２は、上記切替閾値についても昇圧時（例えばＰ１１又はＶ１１）と降圧時（例えばＰ１又はＶ１）の２つの値を記憶する。
なお、上記ヒステリシスにより、昇圧時の方が降圧時より切替閾値が高圧側へシフトする。従って、切替閾値を出力電圧で見た場合、昇圧時の方が切替閾値が低くなる（Ｖ１１<Ｖ１）。
【００１８】
図３〜図５に、テーブル１２に記憶されるデータ構成例を示す。
図３は定電流値Ｉ１におけるデータ構成例であり、定電流値Ｉ１から定電流値Ｉ２へ切替えるのは昇圧時のみであるから（定電流値Ｉ１で降圧する場合、Ｉ１より低い電流値へ切替えることはない）、昇圧時切替閾値V11のみが記憶されている。
図４は定電流値Ｉ２におけるデータ構成例であり、昇圧時は定電流値Ｉ２から定電流値Ｉ３へ切替え、降圧時は定電流値Ｉ２から定電流値Ｉ１へ切替えるから、それぞれ昇圧時切替閾値V22と降圧時切替閾値V12が記憶されている。
図５は定電流値Ｉ３におけるデータ構成例であり、定電流値Ｉ３から定電流値Ｉ２へ切替えるのは降圧時のみであるから、降圧時切替閾値V23のみが記憶されている。
【００１９】
一方、オペアンプ２０の出力側はＡ／Ｄコンバータ１４に接続され、ＣＰＵ１０は、Ａ／Ｄコンバータ１４の出力側と、テーブル１２とにそれぞれ接続されている。又、ＣＰＵ１０は表示部４０、操作部４２、I/F部４４の入力側に接続されるとともに、Ｄ／Ａコンバータ１６の入力側に接続されている。Ｄ／Ａコンバータ１６はアナログ出力用である。
そして、オペアンプ２０から出力されるアナログ電圧信号はＡ／Ｄコンバータ１４でデジタル化されてＣＰＵ１０に取得される。ＣＰＵ１０は取得したデジタル信号（フィラメント２の出力電圧に相当）に基づいてテーブル１２を参照し、対応する圧力値を取得し、表示部４０、操作部４２、I/F部４４等に出力する。従って、圧力値は表示部４０に表示されたり、Ｉ／Ｆ部４４から外部機器へ出力される。
操作部４２は、各種キーボードや入力ボタン等からなり、定電流型ピラニ真空計を操作者が操作するために用いられる。
【００２０】
ここで、ＣＰＵ１０は、所定のシーケンスで現在の定電流値を判定してから、上記したように定電流の切換えを制御する。このシーケンスは例えば、まず図１の抵抗３０の両端の電圧をモニターし、抵抗３０の抵抗値から現在の定電流値を判定する。そして、その定電流値をキーとしてテーブル１２を参照し、出力電圧に対応する圧力値を取得すると共に、出力電圧が時間と共に上昇するか下降するかを判定する。出力電圧が時間と共に下降した場合、被測定系の圧力が上昇していることとなるので、ＣＰＵ１０はテーブル１２から昇圧時切替閾値Ｖ１１を取得する。
次に、ＣＰＵ１０は、オペアンプ２０から出力される電圧と、昇圧時切替閾値Ｖ１１とを比較し、出力電圧がＶ１１より低くなった時に定電流切替部５に命令９を送信して定電流値をＩ２に切替える。定電流値をＩ２に切替えると曲線はＬ１からＬ２に切り替わり、オペアンプ２０から出力される電圧がＶ１１からＶ１１２に変化する。但し、ＣＰＵ１０は命令９を送信したことに応じて、定電流値Ｉ２をキーとしてテーブル１２を参照するので、電圧がＶ１１からＶ１１２に変化しても算出圧力はＰ１１から変わることはなく、以後は曲線Ｌ２に沿って圧力を計算することとなる。
【００２１】
以下、同様に、ＣＰＵ１０は、出力電圧が時間と共に上昇するか下降するかを判定する。出力電圧が時間と共に下降した場合、曲線Ｌ２上でも被測定系の圧力が上昇していることとなるので、ＣＰＵ１０はテーブル１２から昇圧時切替閾値Ｖ２２を取得する。次に、ＣＰＵ１０は、オペアンプ２０から出力される電圧と、昇圧時切替閾値Ｖ２２とを比較し、出力電圧がＶ２２より低くなった時に定電流切替部５に命令９を送信して定電流値をＩ３に切替える。定電流値をＩ３に切替えると曲線はＬ２からＬ３に切り替わり、オペアンプ２０から出力される電圧が変化する。但し、ＣＰＵ１０は命令９を送信したことに応じて、定電流値Ｉ３をキーとしてテーブル１２を参照するので、電圧が変化しても算出圧力はＰ２２から変わることはなく、以後は曲線Ｌ３に沿って圧力を計算する。
【００２２】
一方、例えば定電流値Ｉ２において出力電圧が時間と共に上昇するとＣＰＵ１０が判定した場合、被測定系の圧力が下降していることとなる。従って、ＣＰＵ１０は定電流値Ｉ２をキーとして、テーブル１２から降圧時切替閾値Ｖ１２を取得する。
次に、ＣＰＵ１０は、オペアンプ２０から出力される電圧と、降圧時切替閾値Ｖ１２とを比較し、出力電圧がＶ１２より高くなった時に定電流切替部５に命令９を送信して定電流値をＩ１に切替える。定電流値をＩ１に切替えると曲線はＬ２からＬ１に切り替わり、オペアンプ２０から出力される電圧がＶ１２からＶ１に変化する。但し、ＣＰＵ１０は命令９を送信したことに応じて、定電流値Ｉ１をキーとしてテーブル１２を参照するので、電圧がＶ１２からＶ１に変化しても算出圧力はＰ１から変わることはなく、以後は曲線Ｌ１に沿って圧力を計算することとなる。
【００２３】
なお、本発明において、フィラメント２の断線や短絡を検出するため、フィラメント２と直列に抵抗３０を接続し、抵抗３０の両端をオペアンプ（コンパレータ）３２の２個の入力端子に接続し、断線短絡検出機構を形成させてもよい。オペアンプ３２は抵抗３０の両端の電圧差を増幅してＡ／Ｄコンバータ１４に出力し、ＣＰＵ１０は出力値を取得する。
この取得値が一定の値であれば、ＣＰＵ１０はフィラメント２が正常であると判定し、この取得値が０になった場合、ＣＰＵ１０はフィラメント２が断線又は短絡したと判定するので、圧力測定時の誤検出を防止できる。
【実施例】
【００２４】
図６、７は、図１の定電流型ピラニ真空計を用いた場合のフィラメント２からの実際の出力電圧と圧力の関係を示す。図６、図７は、それぞれ昇圧時、降圧時の出力電圧と圧力の関係を示す。定電流値Ｉ１〜Ｉ３は、それぞれ50mA、90mA、150mAとした。又、Ｐ１、Ｐ１１，Ｖ１、Ｖ１１等の符号は、図２と同様であるので説明を省略する。
フィラメント２としては、直径50μｍ、長さ360ｍｍのタングステンフィラメントを使用した。昇圧時、定電流50mAにおける切替閾値を30Paとし、30Paから150Pa迄を定電流値90mAで測定し、切替閾値を150Paとし、150Pa以上で定電流値150mAで測定した（図６）。一方、降圧時、定電流値150mAにおける切替閾値を100Paとし、100Paから20Pa迄を定電流値90mAで測定し、定電流90mAにおける切替閾値20Paとし、20Pa以下で定電流値50mAで測定した。このようにして、低圧力から高圧力（大気圧）までの広範囲の圧力が測定できた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る定電流型ピラニ真空計の構成図である。
【図２】定電流値を変えた時の、フィラメントの出力電圧と被測定系の圧力との関係を示す図である。
【図３】テーブル１２に記憶されるデータ構成例を示す図である。
【図４】テーブル１２に記憶されるデータ構成例を示す別の図である。
【図５】テーブル１２に記憶されるデータ構成例を示すさらに別の図である。
【図６】フィラメント２からの実際の出力電圧と圧力の関係を示す図である。
【図７】フィラメント２からの実際の出力電圧と圧力の関係を示す別の図である。
【符号の説明】
【００２６】
２                          圧力測定用フィラメント
４、５                      定電流供給手段
１０                        定電流切替制御手段（ＣＰＵ）
１２                        テーブル
４０、４４                  圧力出力手段（表示部、Ｉ／Ｆ部）
１００                      定電流型ピラニ真空計
【要約】
【課題】フィラメントを有するセンサー部と制御系とが離れていても測定精度が高く、構造が簡易で、かつ圧力の測定範囲が広い定電流型ピラニ真空計を提供する。
【解決手段】被測定系に設置される圧力測定用フィラメント２と、圧力測定用フィラメントに少なくとも２つの異なる値の定電流を供給する定電流供給手段４，５と、圧力測定用フィラメントの出力電圧が所定の切替閾値になった時、低圧力側で低い定電流を供給し高圧力側で高い定電流を供給するよう、前記定電流供給手段の定電流値を切替える定電流切替制御手段１０とを有する。
【選択図】図１【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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