JP2007085953A - 振動センサ、振動センサを用いた真空計および測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】使用範囲が限定されず、配線が簡単となり、信号伝達ノイズの影響を軽減でき、信頼性の高い測定が可能で、真空度等の測定ができる振動センサ等を提供する。
【解決手段】光ファイバ７と、前記光ファイバの一方の端部側に、振動振幅の方向が該光ファイバの光軸と一致するように設けられた振動体１と、前記光ファイバの他方の端部側に配された、光源１４と、該光源からの光を制御する光源制御装置１６と、該光ファイバからの出射光を検出する光検出手段１８と、を有し、前記光源からの光を前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振すると共に、前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出し、前記振動体の加振による変位を測定可能とした構成を有する。
【選択図】 図１
【解決手段】光ファイバ７と、前記光ファイバの一方の端部側に、振動振幅の方向が該光ファイバの光軸と一致するように設けられた振動体１と、前記光ファイバの他方の端部側に配された、光源１４と、該光源からの光を制御する光源制御装置１６と、該光ファイバからの出射光を検出する光検出手段１８と、を有し、前記光源からの光を前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振すると共に、前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出し、前記振動体の加振による変位を測定可能とした構成を有する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、振動センサ、振動センサを用いた真空計および測定方法に関し、特に、真空度を測定することができ、また振動センサ自体のクリーニングや汚れ等を測定することができる振動センサに関するものである。
従来、真空度を測定する装置として、共振周波数を測定することによって真空度を測定するようにした真空計が知られている。
このような真空計として、例えば、特許文献１では図１５に示すような振動体と支持体をエッチングすることにより一体に形成した構造と、制御回路を備えた真空計が提案されている。これは、図１５に示すように支持部材５３とトーションバー５１とで振動体５２を支持する支持部が構成されており、振動体５２と支持部とは単一のシリコン単結晶をエッチングするすることにより一体に形成されている。また、加振用の電極５５と回路５８を備え、検出用の電極５６と回路５９、及び制御回路５１０が設けられている。以上により、トーションバー構造を振動させ、そのときの振動振幅が最大になる周波数、すなわち共振周波数を測定することにより、真空度を測定するように構成されている。
このような真空計として、例えば、特許文献１では図１５に示すような振動体と支持体をエッチングすることにより一体に形成した構造と、制御回路を備えた真空計が提案されている。これは、図１５に示すように支持部材５３とトーションバー５１とで振動体５２を支持する支持部が構成されており、振動体５２と支持部とは単一のシリコン単結晶をエッチングするすることにより一体に形成されている。また、加振用の電極５５と回路５８を備え、検出用の電極５６と回路５９、及び制御回路５１０が設けられている。以上により、トーションバー構造を振動させ、そのときの振動振幅が最大になる周波数、すなわち共振周波数を測定することにより、真空度を測定するように構成されている。
また、さらに、中真空度以上の分子流領域においては、雰囲気の粘性が真空度によって変化する現象についても知られている。
このような気体の粘度から圧力を測定する真空計として、例えば、特許文献２では図１６に示すような回転型粘性真空計が開示されている。
図１６において、６１は測定ヘッド、６２は磁性ステンレス鋼球の回転体、６３は回転体６２を収容するパイプ状の回転体室である。また６４ａ、６４ｂは永久磁石で回転体６２を磁気懸垂させるものである。６８ａ〜６８ｄは回転磁界を生じさせるための駆動コイルであり、６１７は各コイルからの出力を受け、演算・制御を行うコンピュータである。この真空計では、以上により磁気浮上させた回転体６２を駆動コイル６８ａ、６８ｂにより回転磁界で約４０００ｒ．ｐ．ｓまで加速した後に駆動を停止し、回転数が被測定気体の粘性抵抗で減衰する割合を検出する。これを基にコンピュータ６１７で予め入力した気体の粘性係数から圧力に換算することで、真空度を得るように構成されている。
特許第２５１８８１４号公報
特開平９−２９２３００号公報
このような気体の粘度から圧力を測定する真空計として、例えば、特許文献２では図１６に示すような回転型粘性真空計が開示されている。
図１６において、６１は測定ヘッド、６２は磁性ステンレス鋼球の回転体、６３は回転体６２を収容するパイプ状の回転体室である。また６４ａ、６４ｂは永久磁石で回転体６２を磁気懸垂させるものである。６８ａ〜６８ｄは回転磁界を生じさせるための駆動コイルであり、６１７は各コイルからの出力を受け、演算・制御を行うコンピュータである。この真空計では、以上により磁気浮上させた回転体６２を駆動コイル６８ａ、６８ｂにより回転磁界で約４０００ｒ．ｐ．ｓまで加速した後に駆動を停止し、回転数が被測定気体の粘性抵抗で減衰する割合を検出する。これを基にコンピュータ６１７で予め入力した気体の粘性係数から圧力に換算することで、真空度を得るように構成されている。
しかしながら、上記した従来例の真空計においては、使用範囲が限定されていたり、配線が複雑で周囲の環境の影響により信頼性が損なわれる等の課題を有している。具体的には、つぎの（１）〜（６）のような課題を有している。
（１）振動電場、振動磁場を発生するため、電子線近傍での使用が困難である。
従来のものでは、振動体を加振する目的で電極間に電圧をかけ、静電気の引力を利用している。このため、周囲に振動電界を発生する。しかし電子顕微鏡や電子線描画装置など、電子線を応用した非常に精密な真空装置の場合、この振動電界により電子線の軌道が影響を受ける。したがって、電子線から離れた場所に真空計を設置せざるを得ず、真に必要な電子線近傍の真空度を測定することが困難であった。
（２）振動電場、振動磁場の影響を受けるため、プラズマ近傍での使用が困難である。
従来のものでは、振動体の変位を測定する目的で電極間の静電容量を測定、あるいは静電界中においた電極の電圧を測定している。これらの測定値は環境の振動電場、振動磁場の影響を受ける。このため振動電場、磁場を発生するスパッタ装置やイオンビーム加工装置などでは、それらから離れた場所に真空計を設置せざるを得ず、真に必要なプロセス現象の近傍の真空度を測定することが困難であった。
（３）複数の電気配線が必要で、構造が複雑となる。
従来のものでは、振動体を加振する電気信号や、振動体の変位を測定する電気信号の配線を真空装置の内部に設置した真空計から、外部に取り出さなければならない。したがって、高真空容器をつきぬけて多くの配線を取り出す必要があり、構造が複雑となりコストがかかる。
（４）信号伝達ノイズの影響を受け、測定精度を上げることが困難となる。
一般に電気信号を伝送するとノイズが信号にのる。このノイズは真空計の分解能の低下につながる。したがって、測定精度を上げることが困難となる。
（５）振動体の汚れの影響を受け、信頼性が損なわれる。
雰囲気の分子が振動体に及ぼす力は振動体の汚れによって変化する。従来例の真空計では、この点が考慮されていないため、信頼性が損なわれる。
（６）振動体の温度変化などの影響を受ける
振動体をシリコンなど、温度によって物性値が変化する材料で構成した場合、環境温度が変化すると測定値も変化してしまう。従来例の真空計では、この点が考慮されていないため、信頼性が損なわれる。
（１）振動電場、振動磁場を発生するため、電子線近傍での使用が困難である。
従来のものでは、振動体を加振する目的で電極間に電圧をかけ、静電気の引力を利用している。このため、周囲に振動電界を発生する。しかし電子顕微鏡や電子線描画装置など、電子線を応用した非常に精密な真空装置の場合、この振動電界により電子線の軌道が影響を受ける。したがって、電子線から離れた場所に真空計を設置せざるを得ず、真に必要な電子線近傍の真空度を測定することが困難であった。
（２）振動電場、振動磁場の影響を受けるため、プラズマ近傍での使用が困難である。
従来のものでは、振動体の変位を測定する目的で電極間の静電容量を測定、あるいは静電界中においた電極の電圧を測定している。これらの測定値は環境の振動電場、振動磁場の影響を受ける。このため振動電場、磁場を発生するスパッタ装置やイオンビーム加工装置などでは、それらから離れた場所に真空計を設置せざるを得ず、真に必要なプロセス現象の近傍の真空度を測定することが困難であった。
（３）複数の電気配線が必要で、構造が複雑となる。
従来のものでは、振動体を加振する電気信号や、振動体の変位を測定する電気信号の配線を真空装置の内部に設置した真空計から、外部に取り出さなければならない。したがって、高真空容器をつきぬけて多くの配線を取り出す必要があり、構造が複雑となりコストがかかる。
（４）信号伝達ノイズの影響を受け、測定精度を上げることが困難となる。
一般に電気信号を伝送するとノイズが信号にのる。このノイズは真空計の分解能の低下につながる。したがって、測定精度を上げることが困難となる。
（５）振動体の汚れの影響を受け、信頼性が損なわれる。
雰囲気の分子が振動体に及ぼす力は振動体の汚れによって変化する。従来例の真空計では、この点が考慮されていないため、信頼性が損なわれる。
（６）振動体の温度変化などの影響を受ける
振動体をシリコンなど、温度によって物性値が変化する材料で構成した場合、環境温度が変化すると測定値も変化してしまう。従来例の真空計では、この点が考慮されていないため、信頼性が損なわれる。
本発明は、上記課題に鑑み、使用範囲が限定されず、配線が簡単となり、信号伝達ノイズの影響を軽減でき、信頼性の高い測定が可能で、真空度等の測定ができる振動センサ及び真空器を提供することを目的とするものである。
また、本発明は前記振動センサを用いてセンサ自体をクリーニングすることができ、あるいはセンサに吸着した成分の量を測定すること、等が可能な測定方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は前記振動センサを用いてセンサ自体をクリーニングすることができ、あるいはセンサに吸着した成分の量を測定すること、等が可能な測定方法を提供することを目的とするものである。
本発明は上記課題を解決するため、つぎのように構成した振動センサ、振動センサを用いた真空計および測定方法を提供するものである。
すなわち、本発明の振動センサは、光ファイバと、前記光ファイバの一方の端部側に、振動振幅の方向が該光ファイバの光軸と一致するように設けられた振動体と、
前記光ファイバの他方の端部側に配された、光源と、該光源からの光を制御する光源制御装置と、該光ファイバからの出射光を検出する光検出手段と、を有し、
前記光源からの光を前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振すると共に、前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出し、
前記振動体の加振による変位を測定可能としたことを特徴としている。
上記構成によれば、測定に際して光だけを使用しているので、周囲の電磁場に影響を与えない。
したがって、これを電子顕微鏡に応用すれば、電子線の近傍においても、電子線に影響を及ぼさない振動センサを実現することが可能となる。
また、光だけを使用しているので、周囲の電磁場の影響を受けない。したがって、プラズマ装置におけるプラズマ近傍の真空度も測定できる。
また、光ファイバを１本だけ使用しているので、複数の電気配線を接続する必要のある従来例のものに比して、配線が簡単である。
また、光ファイバを用いているので信号伝達ノイズの影響を軽減することができる。
また、本発明においては、前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振するために用いられる光源と、
前記振動体で反射された光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出するために用いられる光源とを、同一の光源あるいは異なった光源による構成を採ることができる。
その際、同一の光源による場合には、加振と測定を同時に行うことはできないので、加振する時間と測定する時間を区切って動作させる。
また、異なった光源による場合には、前記加振に用いられる光源と前記検出に用いられる光源とが異なる波長の光源とし、
これら光源と前記光ファイバの他方の端部側との間の光路中に特定波長の光を反射する光混合器を配し、前記光源制御装置が前記加振に用いられる光源の強度を変調する一方、
前記検出に用いられる光源の強度を一定に保つように構成し、前記加振に用いられる光源からの前記光源制御装置で強度変調された光を前記光混合器を介して前記振動体に導いて該振動体を加振すると共に、
前記振動体で反射され前記光ファイバの他方の端部側から出射された前記検出に用いられる光源からの光を前記光混合器を介して前記光検出手段に導いて該光検出手段により検出するように構成することができる。
この構成によれば、加振中でも測定可能であり、精度の高い周波数応答解析が可能となり、さらに精度の高い測定を実現することができる。
また、本発明においては、前記光ファイバにおける前記他方の端部に到るまでの光路中に、前記光源からの光を通過させ前記振動体に導く一方、
前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光検出手段に導く光分配器を有し、前記光源からの前記光源制御装置で強度変調された光を前記光分配器を介して前記振動体に導いて該振動体を加振すると共に、
前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光分配器を介して前記光検出手段に導いて該光検出手段により検出するように構成することができる。
この構成により、殆どの光学部品をファイバーで構成することができ、さらに小型化を図ることが可能となる。
また、本発明の真空計は、上記のいずれかに記載された振動センサを備え、前記振動体の加振による変位の測定結果に基づいて真空度を測定するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の測定方法は、上記のいずれかに記載された振動センサを用いた測定方法であって、
前記振動体の加振による変位を測定する前に、光源の出力を大きくして前記振動体の温度を上昇させることによって該振動体をクリーニングして前記変位を測定することを特徴としている。
これによれば、振動板の汚れを除去する、いわゆるセルフクリーニングができるため、信頼性の高い真空計を実現することができる。
また、本発明の測定方法は、上記のいずれかに記載された振動センサを用いた測定方法であって、
前記振動体の加振による変位を測定する前に、光源の出力を一定に保ってその際における振動体の変位から該振動体の物性を測定する過程を有することを特徴としている。
これによれば、振動体のばね定数をあらかじめ測定することができるため、温度の変化などによる物性値の変化の影響を補正し、信頼性の高い真空計を実現することができる。
また、本発明の測定方法は、上記のいずれかに記載された振動センサと、さらに別の真空計とを用い振動体の吸着する成分の量を測定する測定方法であって、
前記真空計で測定した真空度と、前記振動体の加振に対する変位とに基づいて、前記振動体を設置した環境において振動体に吸着した成分の量を測定することを特徴としている。
これによれば、環境に含まれる油などの汚れ成分が振動体に吸着する量を測定することができる。
すなわち、本発明の振動センサは、光ファイバと、前記光ファイバの一方の端部側に、振動振幅の方向が該光ファイバの光軸と一致するように設けられた振動体と、
前記光ファイバの他方の端部側に配された、光源と、該光源からの光を制御する光源制御装置と、該光ファイバからの出射光を検出する光検出手段と、を有し、
前記光源からの光を前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振すると共に、前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出し、
前記振動体の加振による変位を測定可能としたことを特徴としている。
上記構成によれば、測定に際して光だけを使用しているので、周囲の電磁場に影響を与えない。
したがって、これを電子顕微鏡に応用すれば、電子線の近傍においても、電子線に影響を及ぼさない振動センサを実現することが可能となる。
また、光だけを使用しているので、周囲の電磁場の影響を受けない。したがって、プラズマ装置におけるプラズマ近傍の真空度も測定できる。
また、光ファイバを１本だけ使用しているので、複数の電気配線を接続する必要のある従来例のものに比して、配線が簡単である。
また、光ファイバを用いているので信号伝達ノイズの影響を軽減することができる。
また、本発明においては、前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振するために用いられる光源と、
前記振動体で反射された光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出するために用いられる光源とを、同一の光源あるいは異なった光源による構成を採ることができる。
その際、同一の光源による場合には、加振と測定を同時に行うことはできないので、加振する時間と測定する時間を区切って動作させる。
また、異なった光源による場合には、前記加振に用いられる光源と前記検出に用いられる光源とが異なる波長の光源とし、
これら光源と前記光ファイバの他方の端部側との間の光路中に特定波長の光を反射する光混合器を配し、前記光源制御装置が前記加振に用いられる光源の強度を変調する一方、
前記検出に用いられる光源の強度を一定に保つように構成し、前記加振に用いられる光源からの前記光源制御装置で強度変調された光を前記光混合器を介して前記振動体に導いて該振動体を加振すると共に、
前記振動体で反射され前記光ファイバの他方の端部側から出射された前記検出に用いられる光源からの光を前記光混合器を介して前記光検出手段に導いて該光検出手段により検出するように構成することができる。
この構成によれば、加振中でも測定可能であり、精度の高い周波数応答解析が可能となり、さらに精度の高い測定を実現することができる。
また、本発明においては、前記光ファイバにおける前記他方の端部に到るまでの光路中に、前記光源からの光を通過させ前記振動体に導く一方、
前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光検出手段に導く光分配器を有し、前記光源からの前記光源制御装置で強度変調された光を前記光分配器を介して前記振動体に導いて該振動体を加振すると共に、
前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光分配器を介して前記光検出手段に導いて該光検出手段により検出するように構成することができる。
この構成により、殆どの光学部品をファイバーで構成することができ、さらに小型化を図ることが可能となる。
また、本発明の真空計は、上記のいずれかに記載された振動センサを備え、前記振動体の加振による変位の測定結果に基づいて真空度を測定するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の測定方法は、上記のいずれかに記載された振動センサを用いた測定方法であって、
前記振動体の加振による変位を測定する前に、光源の出力を大きくして前記振動体の温度を上昇させることによって該振動体をクリーニングして前記変位を測定することを特徴としている。
これによれば、振動板の汚れを除去する、いわゆるセルフクリーニングができるため、信頼性の高い真空計を実現することができる。
また、本発明の測定方法は、上記のいずれかに記載された振動センサを用いた測定方法であって、
前記振動体の加振による変位を測定する前に、光源の出力を一定に保ってその際における振動体の変位から該振動体の物性を測定する過程を有することを特徴としている。
これによれば、振動体のばね定数をあらかじめ測定することができるため、温度の変化などによる物性値の変化の影響を補正し、信頼性の高い真空計を実現することができる。
また、本発明の測定方法は、上記のいずれかに記載された振動センサと、さらに別の真空計とを用い振動体の吸着する成分の量を測定する測定方法であって、
前記真空計で測定した真空度と、前記振動体の加振に対する変位とに基づいて、前記振動体を設置した環境において振動体に吸着した成分の量を測定することを特徴としている。
これによれば、環境に含まれる油などの汚れ成分が振動体に吸着する量を測定することができる。
本発明によれば、使用範囲が限定されず、配線が簡単となり、信号伝達ノイズの影響を軽減でき、信頼性の高い測定が可能で、真空度等の測定ができる振動センサ及び真空器を実現することができる。
また、本発明は前記振動センサを用いてセンサ自体をクリーニングすることができ、あるいはセンサに吸着した成分の量を測定すること、等が可能な測定方法を実現することができる。
また、本発明は前記振動センサを用いてセンサ自体をクリーニングすることができ、あるいはセンサに吸着した成分の量を測定すること、等が可能な測定方法を実現することができる。
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
［実施形態１］
本発明の実施形態１においては、本発明を適用した振動センサの構成例について説明する。
図１に、本実施形態における振動センサの概略構成を示す。
図１において、１は振動体、２は振動板、３は梁状の弾性支持部、４はハウジングである。
５は光ファイバ出射端、６は光ファイバのコア、７は光ファイバである。
８は真空チャンバ、９はコネクタ、１０は光ファイバ、１１は光ファイバ出射端である。
１２はレンズ、１３は光分配器（ビームスプリッタ）、１４は光源である。
１５はドライバ、１６は制御装置、１７は表示装置、１８は光検出器、１９はアンプである。
振動体１は、振動板２とそれを支える梁状の弾性支持部３とハウジング４から構成されており、ハウジング４は光ファイバ出射端５に固定されている。
光ファイバのコア６を有する光ファイバ７が光ファイバ出射端５に固定されている。これらは真空チャンバー８の内部に設置され、光ファイバ７は真空チャンバー８に固定して設けられたコネクタ９に接続され、外部の光ファイバ１０と接続される。光ファイバ１０のもう一方の端は、光ファイバ出射端１１に接続され、そこから、光ファイバに入射させる光学レンズ１２が設けられ、光分配器１３（ビームスプリッタ）に接続されている。この光分配器１３によって光が分岐された一方において、例えば半導体レーザーなどの光源１４が設けられ、ドライバ１５に接続されている。また、ビームスプリッタのもう一方に光検出器１８が設けられ、アンプ１９に接続されている。アンプ１９とドライバ１５が制御装置１６に接続され、制御装置１６が表示装置１７に接続される。
［実施形態１］
本発明の実施形態１においては、本発明を適用した振動センサの構成例について説明する。
図１に、本実施形態における振動センサの概略構成を示す。
図１において、１は振動体、２は振動板、３は梁状の弾性支持部、４はハウジングである。
５は光ファイバ出射端、６は光ファイバのコア、７は光ファイバである。
８は真空チャンバ、９はコネクタ、１０は光ファイバ、１１は光ファイバ出射端である。
１２はレンズ、１３は光分配器（ビームスプリッタ）、１４は光源である。
１５はドライバ、１６は制御装置、１７は表示装置、１８は光検出器、１９はアンプである。
振動体１は、振動板２とそれを支える梁状の弾性支持部３とハウジング４から構成されており、ハウジング４は光ファイバ出射端５に固定されている。
光ファイバのコア６を有する光ファイバ７が光ファイバ出射端５に固定されている。これらは真空チャンバー８の内部に設置され、光ファイバ７は真空チャンバー８に固定して設けられたコネクタ９に接続され、外部の光ファイバ１０と接続される。光ファイバ１０のもう一方の端は、光ファイバ出射端１１に接続され、そこから、光ファイバに入射させる光学レンズ１２が設けられ、光分配器１３（ビームスプリッタ）に接続されている。この光分配器１３によって光が分岐された一方において、例えば半導体レーザーなどの光源１４が設けられ、ドライバ１５に接続されている。また、ビームスプリッタのもう一方に光検出器１８が設けられ、アンプ１９に接続されている。アンプ１９とドライバ１５が制御装置１６に接続され、制御装置１６が表示装置１７に接続される。
以上の構成において、光源１４から出射した光は光分配器１３で反射し、レンズ１２の作用によって一点に集光し、そこに置かれた光ファイバ出射端から光ファイバ１０の中に導かれる。この光がコネクタ９を介して真空チャンバー内の光ファイバ７に導かれ、光ファイバ出射端５に固定された光ファイバのコア６の端面から出射される。
この出射された光は振動板２にあたり、反射するので、振動板は光の放射圧の作用により光の強さに応じた力を受ける。従って光源１４の強度変化に対応する力が振動板２に作用する。
この出射された光は振動板２にあたり、反射するので、振動板は光の放射圧の作用により光の強さに応じた力を受ける。従って光源１４の強度変化に対応する力が振動板２に作用する。
一般に光が光学面で屈折あるいは反射して進行方向が変化すると、光の運動量が変わる。この運動量変化に応じた力が光学面に作用する。この原理は光の放射圧として知られている。光ファイバから出射した光は振動体で反射するので、この光の放射圧を受け、振動体に推力を与える。従って、光ファイバから出射する光の光源を変調することにより、振動体を加振することができる。
また、光が振動体を加振できる原理がもう一つある。それは熱の影響である。光が振動体にあたり、その一部が吸収され熱に変化する。すると振動体の片方の面の温度が上昇し、線熱膨張係数に従って振動体は変形する。この変形は光を消すと再び熱が拡散し、温度が下がるためもとにもどる。したがって、この熱の作用によっても光の強度に応じて振動体を加振することができる。ただし、温度が下がるためには熱が拡散していく時間が必要なので光の放射圧を利用する場合に対して応答速度が劣る。
また、光が振動体を加振できる原理がもう一つある。それは熱の影響である。光が振動体にあたり、その一部が吸収され熱に変化する。すると振動体の片方の面の温度が上昇し、線熱膨張係数に従って振動体は変形する。この変形は光を消すと再び熱が拡散し、温度が下がるためもとにもどる。したがって、この熱の作用によっても光の強度に応じて振動体を加振することができる。ただし、温度が下がるためには熱が拡散していく時間が必要なので光の放射圧を利用する場合に対して応答速度が劣る。
また、振動板で反射した光は一部が再び光ファイバのコア６に入射するが、ごく一部の光だけが再び光ファイバのコア６に達し入射できる。
すなわち、光ファイバから出射し、振動体で反射し、再び光ファイバに入射する光はその間に拡散していくので、一部の光だけが光ファイバに入射することになる。その光量は光が拡散する度合いによる。そしてその拡散する度合いは距離に応じて大きくなる。従って振動体と光ファイバとの隙間の大小によって、光ファイバに入射する光量が変化する。この光量変化を光検出手段で捉えれば、振動体の変位を測定することができる。
すなわち、光ファイバから出射し、振動体で反射し、再び光ファイバに入射する光はその間に拡散していくので、一部の光だけが光ファイバに入射することになる。その光量は光が拡散する度合いによる。そしてその拡散する度合いは距離に応じて大きくなる。従って振動体と光ファイバとの隙間の大小によって、光ファイバに入射する光量が変化する。この光量変化を光検出手段で捉えれば、振動体の変位を測定することができる。
以上の状況を図２を用いて説明する。
図２に、本実施形態における振動板の変位を測定する原理を説明する図を示す。図２において、６は光ファイバのコアであり、２は振動板である。これらは図１で説明した光ファイバのコア６、振動板２に対応するものである。
光ファイバのコア６は、例えば直径が５μｍといった小さな断面積をもっている。６から出射した光は広がりながら振動板２に達し、そこで反射する。反射した後も広がりながら帰ってくるが、再びコア６に達した時、光の断面積が大きくなっているので一部しかコア内に入射できない。
ここで、光の広がり角度をα、コア６と振動板２との距離をｄとすると、断面積はおおよそαｄ２に比例する。したがって、振動板２の変位ｄの変化に従ってコア内に入射する光量が変化する。
コア内に入射した光は光ファイバ７、コネクタ９光ファイバ１０と伝わり、光ファイバ出射端１１から出射し、レンズ１２でコリメートされ、光分配器１３を通過し、光検出器１８で電気信号に変換され、アンプ１９で信号が成形され、制御装置１６に接続される。
図２に、本実施形態における振動板の変位を測定する原理を説明する図を示す。図２において、６は光ファイバのコアであり、２は振動板である。これらは図１で説明した光ファイバのコア６、振動板２に対応するものである。
光ファイバのコア６は、例えば直径が５μｍといった小さな断面積をもっている。６から出射した光は広がりながら振動板２に達し、そこで反射する。反射した後も広がりながら帰ってくるが、再びコア６に達した時、光の断面積が大きくなっているので一部しかコア内に入射できない。
ここで、光の広がり角度をα、コア６と振動板２との距離をｄとすると、断面積はおおよそαｄ２に比例する。したがって、振動板２の変位ｄの変化に従ってコア内に入射する光量が変化する。
コア内に入射した光は光ファイバ７、コネクタ９光ファイバ１０と伝わり、光ファイバ出射端１１から出射し、レンズ１２でコリメートされ、光分配器１３を通過し、光検出器１８で電気信号に変換され、アンプ１９で信号が成形され、制御装置１６に接続される。
つぎに、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作について説明する。
図３に、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作を説明するフローチャートを示す。
図３において、まず、光源を駆動し、振動板を加振する（１００）。
加振したあと、振動板の変位を測定する必要がある。変位の測定は光ファイバから光検出器に入射する光量で行うため、光源の強さに影響を受ける。つまり、加振しているときは測定できない。そこで、振動板を加振する時間と、振動板の変位を測定する時間とを分けて、光源の制御を行う。
図４、および図５に、このような制御パターンの例を示す。横軸に時間を、縦軸に振動板に与える力と振動板の変位を表している。
図４はステップ状の加振である。振動板がこの力を受けると振動板は図４のように、振動板が持っている固有振動数で振動しはじめるが、次第に減衰していく。図５は正弦波で加振した場合である。先ほどと同様、加振をやめると変位が次第に減衰していく。
以上により、事前にセットした加振時間が過ぎると、次に振動板の変位、振動波形を測定する（１０１）。
つぎに、従来技術と同様、この振動波形から真空度を計算する（１０２）。
そして、得られた真空度、すなわちチャンバー８の内部の圧力を表示する（１０３）。
図３に、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作を説明するフローチャートを示す。
図３において、まず、光源を駆動し、振動板を加振する（１００）。
加振したあと、振動板の変位を測定する必要がある。変位の測定は光ファイバから光検出器に入射する光量で行うため、光源の強さに影響を受ける。つまり、加振しているときは測定できない。そこで、振動板を加振する時間と、振動板の変位を測定する時間とを分けて、光源の制御を行う。
図４、および図５に、このような制御パターンの例を示す。横軸に時間を、縦軸に振動板に与える力と振動板の変位を表している。
図４はステップ状の加振である。振動板がこの力を受けると振動板は図４のように、振動板が持っている固有振動数で振動しはじめるが、次第に減衰していく。図５は正弦波で加振した場合である。先ほどと同様、加振をやめると変位が次第に減衰していく。
以上により、事前にセットした加振時間が過ぎると、次に振動板の変位、振動波形を測定する（１０１）。
つぎに、従来技術と同様、この振動波形から真空度を計算する（１０２）。
そして、得られた真空度、すなわちチャンバー８の内部の圧力を表示する（１０３）。
本実施形態においては、光だけを使用している。よほど強い光でない限り、光は周囲の電磁場に影響を与えないことが知られている。
したがって、本実施形態のものを電子顕微鏡に応用すれば、電子線の近傍においても、電子線に影響を及ぼさない真空度等の測定が可能となる。
また、光だけを使用しているので、周囲の電磁場の影響を受けない。したがって、プラズマ装置におけるプラズマ近傍の圧力も測定できる。
さらに、光ファイバを１本だけを使用しているので、従来例のように複数の電気配線を接続する必要がなく、配線が簡単となる。
本実施形態では、光ファイバを用いているので、信号伝達ノイズの影響を軽減することができる。
したがって、本実施形態のものを電子顕微鏡に応用すれば、電子線の近傍においても、電子線に影響を及ぼさない真空度等の測定が可能となる。
また、光だけを使用しているので、周囲の電磁場の影響を受けない。したがって、プラズマ装置におけるプラズマ近傍の圧力も測定できる。
さらに、光ファイバを１本だけを使用しているので、従来例のように複数の電気配線を接続する必要がなく、配線が簡単となる。
本実施形態では、光ファイバを用いているので、信号伝達ノイズの影響を軽減することができる。
なお、本実施形態の図１に示される振動体１においては、振動板２を支える弾性支持部３は梁状の弾性部材によって構成されているが、このような構成に限定されるものではない。
これ以外に、例えば図１２示すように、弾性支持部をねじりばね、いわゆるトーションバーで構成してもよい。
このように、弾性支持部をねじりばねで構成することにより、弾性体の変形状態を、曲げ、ではなくねじりにすることができる。
曲げ変形においては弾性体の付け根部分で曲げモーメントが大きくなるため、その部分の応力が大きくなりやすい。つまり応力集中が起こる。
これに対してねじり変形は応力集中が起こりにくい。応力が大きくなると材料の破壊につながりかねない。
したがって、以上のように弾性支持部をねじりばねで構成して、そのねじり変形を利用することで、材料選定の自由度を広げることができ、また弾性体の寿命を延ばすことが可能となり、振動センサの設計制約を緩和することができる。
これ以外に、例えば図１２示すように、弾性支持部をねじりばね、いわゆるトーションバーで構成してもよい。
このように、弾性支持部をねじりばねで構成することにより、弾性体の変形状態を、曲げ、ではなくねじりにすることができる。
曲げ変形においては弾性体の付け根部分で曲げモーメントが大きくなるため、その部分の応力が大きくなりやすい。つまり応力集中が起こる。
これに対してねじり変形は応力集中が起こりにくい。応力が大きくなると材料の破壊につながりかねない。
したがって、以上のように弾性支持部をねじりばねで構成して、そのねじり変形を利用することで、材料選定の自由度を広げることができ、また弾性体の寿命を延ばすことが可能となり、振動センサの設計制約を緩和することができる。
また、これ以外にも、例えば図１３示すように、弾性支持部をコイルばねで構成してもよい。
このように、弾性支持部をコイルばねで構成することにより、弾性体の長さを長くすることができるので、ばね定数の設計範囲を広げることができる。具体的には、ばね定数を下げることができる。
このように、弾性支持部をコイルばねで構成することにより、弾性体の長さを長くすることができるので、ばね定数の設計範囲を広げることができる。具体的には、ばね定数を下げることができる。
［実施形態２］
本発明の実施形態２においては、加振用の光源と、波長の異なる測定用の光源を用いるようにした構成例について説明する。
図６に、本実施の形態の振動センサにおける加振用の光源と、波長の異なる測定用の光源を用いるようにした構成を示す。
実施形態１では振動板の加振と変位測定を同じ光源で行っていたのに対し、本実施形態ではそれらに別々の光源を用いるようにした点が異なるだけであるから、実施形態１と重複する部分の説明は、適宜省略する。
図６において、１４は第２の光源を構成し、１５はそのドライバである。
２０は光混合器（ダイクロイックミラー）、２１は第１の光源、２２はドライバである。
振動体１は、振動板２とそれを支える弾性支持部３とハウジング４から構成されており、ハウジングは光ファイバ出射端５に固定されている。光ファイバのコア６を有する光ファイバ７が光ファイバ出射端５に固定される。これらは真空チャンバー８の内部に設置され、光ファイバ７は真空チャンバーに固定して設けられたコネクタ９に接続され外部の光ファイバ１０と接続される。
光ファイバ１０のもう一方の端は光ファイバ出射端１１に接続され、そこから、光ファイバに入射させる光学レンズ１２を設けられ、特定の波長の光だけを反射する光混合器（ダイクロイックミラー）２０に接続される。光混合器（ダイクロイックミラー）２０で分岐した一方において、この光混合器２０で反射する波長の光を発する第１の光源２１が設けられ、この第１の光源２１がドライバ２２に接続される。
光混合器２０を透過した一方において、光分配器１３（ビームスプリッタ）が設けられ、また光を分岐した一方において、さきほどの光混合器２０を透過する波長の光を発する第２の光源１４を設けられ、第２の光源１４をドライバ１５に接続されている。ビームスプリッタのもう一方に光検出器１８を設けられ、アンプ１９に接続され、アンプ１９とドライバ１５を制御装置１６に接続され、制御装置１６を表示装置１７に接続される。
本発明の実施形態２においては、加振用の光源と、波長の異なる測定用の光源を用いるようにした構成例について説明する。
図６に、本実施の形態の振動センサにおける加振用の光源と、波長の異なる測定用の光源を用いるようにした構成を示す。
実施形態１では振動板の加振と変位測定を同じ光源で行っていたのに対し、本実施形態ではそれらに別々の光源を用いるようにした点が異なるだけであるから、実施形態１と重複する部分の説明は、適宜省略する。
図６において、１４は第２の光源を構成し、１５はそのドライバである。
２０は光混合器（ダイクロイックミラー）、２１は第１の光源、２２はドライバである。
振動体１は、振動板２とそれを支える弾性支持部３とハウジング４から構成されており、ハウジングは光ファイバ出射端５に固定されている。光ファイバのコア６を有する光ファイバ７が光ファイバ出射端５に固定される。これらは真空チャンバー８の内部に設置され、光ファイバ７は真空チャンバーに固定して設けられたコネクタ９に接続され外部の光ファイバ１０と接続される。
光ファイバ１０のもう一方の端は光ファイバ出射端１１に接続され、そこから、光ファイバに入射させる光学レンズ１２を設けられ、特定の波長の光だけを反射する光混合器（ダイクロイックミラー）２０に接続される。光混合器（ダイクロイックミラー）２０で分岐した一方において、この光混合器２０で反射する波長の光を発する第１の光源２１が設けられ、この第１の光源２１がドライバ２２に接続される。
光混合器２０を透過した一方において、光分配器１３（ビームスプリッタ）が設けられ、また光を分岐した一方において、さきほどの光混合器２０を透過する波長の光を発する第２の光源１４を設けられ、第２の光源１４をドライバ１５に接続されている。ビームスプリッタのもう一方に光検出器１８を設けられ、アンプ１９に接続され、アンプ１９とドライバ１５を制御装置１６に接続され、制御装置１６を表示装置１７に接続される。
以上の構成において、第１の光源２１から出射した光は光混合器２０で反射し、レンズ１２の作用によって一点に集光し、そこに置かれた光ファイバ出射端から光ファイバ１０の中に導かれる。この光がコネクタ９を介して真空チャンバー内の光ファイバ７に導かれ、光ファイバ出射端５に固定された光ファイバのコア６の端面から出射される。
この出射された光は振動板２にあたり、反射するので、振動板は光の放射圧の作用により光の強さに応じた力を受ける。したがって、光源１４の強度変化に対応する力が振動板２に作用する。
また、振動板で反射した光はもときた光路を逆にたどって帰ってくるが、光混合器２０で反射するので、後述する光検出器に影響は与えない。
第２の光源１４から出射した光は光分配器１３で反射し、光混合器２０を透過し、レンズ１２の作用によって一点に集光する。そして、そこに置かれた光ファイバ出射端から光ファイバ１０の中に導かれ、コネクタ９を介して真空チャンバー内の光ファイバ７に導かれ、光ファイバ出射端５に固定された光ファイバのコア６の端面から出射する。
この出射した光は振動板２にあたり、反射した光は一部が再び光ファイバのコア６に入射するが、ごく一部の光だけが再び光ファイバのコア６に達し入射できる。
この出射された光は振動板２にあたり、反射するので、振動板は光の放射圧の作用により光の強さに応じた力を受ける。したがって、光源１４の強度変化に対応する力が振動板２に作用する。
また、振動板で反射した光はもときた光路を逆にたどって帰ってくるが、光混合器２０で反射するので、後述する光検出器に影響は与えない。
第２の光源１４から出射した光は光分配器１３で反射し、光混合器２０を透過し、レンズ１２の作用によって一点に集光する。そして、そこに置かれた光ファイバ出射端から光ファイバ１０の中に導かれ、コネクタ９を介して真空チャンバー内の光ファイバ７に導かれ、光ファイバ出射端５に固定された光ファイバのコア６の端面から出射する。
この出射した光は振動板２にあたり、反射した光は一部が再び光ファイバのコア６に入射するが、ごく一部の光だけが再び光ファイバのコア６に達し入射できる。
実施形態１において説明したように、振動板の変位に従ってコア内に入射する光量が変化する。コア内に入射した光は光ファイバ７、コネクタ９、光ファイバ１０と伝わる。そして、光ファイバ出射端１１から出射し、レンズ１２でコリメートされ、光混合器２０を透過し、光分配器１３を通過し、光検出器１８で電気信号に変換され、アンプ１９で信号を成形、制御装置１６に接続する。
このように第１の光源２１は振動板の加振に、第２の光源１４は振動板の変位の測定に用いる。第１の光源の光は前述したように光混合器２０の作用により、光検出器１８に入射しない。従って加振と測定を同時に行うことができる。
このように第１の光源２１は振動板の加振に、第２の光源１４は振動板の変位の測定に用いる。第１の光源の光は前述したように光混合器２０の作用により、光検出器１８に入射しない。従って加振と測定を同時に行うことができる。
つぎに、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作について説明する。
図７に、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作を説明するフローチャートを示す。
図７において、第２の光源は変位の測定に用いるため一定の光強度で駆動する。第１の光源を駆動する周波数を、振動体の共振周波数の近傍でスイープ（走査）しながら、その時の振動体の振動振幅と位相を測定する。すなわち、振動体の周波数応答解析を行う（２００）。
つぎのステップでは、従来技術と同様、この振動波形から真空度を計算する（２０１）。
そして、得られた真空度、すなわちチャンバー８の内部の圧力を表示する（２０２）。
図７に、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作を説明するフローチャートを示す。
図７において、第２の光源は変位の測定に用いるため一定の光強度で駆動する。第１の光源を駆動する周波数を、振動体の共振周波数の近傍でスイープ（走査）しながら、その時の振動体の振動振幅と位相を測定する。すなわち、振動体の周波数応答解析を行う（２００）。
つぎのステップでは、従来技術と同様、この振動波形から真空度を計算する（２０１）。
そして、得られた真空度、すなわちチャンバー８の内部の圧力を表示する（２０２）。
本実施形態によれば、実施形態１に比して、つぎの点で有利である。
実施形態１にでは、振動板の加振と変位測定を同じ光源で行っていた。したがって、変位を測定するときには光源から一定の強さの光にしておく必要があった。つまり、加振と測定は同時にできなかったので、振動体の挙動測定は加振力を停止した後の、残留振動を測定する方法が採られていた。
これに対して、本実施形態では加振用の光源と、これとは別の波長の異なる測定用の光源とを用いることにより、加振中でも測定ができるようになる。したがって、正弦波加振信号の周波数を変更しながら振動体の振幅と位相を測定する周波数解析手法が使える。この方法は残留振動を測定する場合に比べて、各周波数ごとの入力信号強度をずっと強くとれるので、高いＳＮ比（信号・ノイズ比）を期待することができる。したがって、これによってより精度の高い真空計を実現することができる。
実施形態１にでは、振動板の加振と変位測定を同じ光源で行っていた。したがって、変位を測定するときには光源から一定の強さの光にしておく必要があった。つまり、加振と測定は同時にできなかったので、振動体の挙動測定は加振力を停止した後の、残留振動を測定する方法が採られていた。
これに対して、本実施形態では加振用の光源と、これとは別の波長の異なる測定用の光源とを用いることにより、加振中でも測定ができるようになる。したがって、正弦波加振信号の周波数を変更しながら振動体の振幅と位相を測定する周波数解析手法が使える。この方法は残留振動を測定する場合に比べて、各周波数ごとの入力信号強度をずっと強くとれるので、高いＳＮ比（信号・ノイズ比）を期待することができる。したがって、これによってより精度の高い真空計を実現することができる。
［実施形態３］
本発明の実施形態３においては、真空度を測定する前に、光源の出力を大きくし、振動体の温度を上昇させるシーケンスを有する構成例について説明する。ここでの振動センサは実施形態１または実施形態２と同様のものが用いられるので、実施形態１または実施形態２と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態においては、まず、真空度を測定する前に、振動体を加振する光源の出力を一定時間大きくする。すると振動体の振動板は強い光に一定時間さらされることになるが、その一部は吸収されて熱に変化する。この熱で振動体の温度は上昇する。例えば３００度といった温度上昇により、分子量の小さい有機物が蒸発し、振動体表面がクリーニングされる。
本発明の実施形態３においては、真空度を測定する前に、光源の出力を大きくし、振動体の温度を上昇させるシーケンスを有する構成例について説明する。ここでの振動センサは実施形態１または実施形態２と同様のものが用いられるので、実施形態１または実施形態２と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態においては、まず、真空度を測定する前に、振動体を加振する光源の出力を一定時間大きくする。すると振動体の振動板は強い光に一定時間さらされることになるが、その一部は吸収されて熱に変化する。この熱で振動体の温度は上昇する。例えば３００度といった温度上昇により、分子量の小さい有機物が蒸発し、振動体表面がクリーニングされる。
一般に大気中には汚れのもととなる様々な分子が存在している。例えば油などの有機物である。この分子が振動板に触れると一部が吸着され、振動板表面が汚れていく。
雰囲気ガスを構成する分子が振動板で反射するとき、雰囲気の分子が振動体に及ぼす力は振動体の汚れによって変化する。したがって、振動板の汚れぐあいによって、真空度の測定値も変化してしまう。
汚れが時間の経過とともに悪くなっていくとすると、それにつれて測定値もドリフトしていくことになり、真空計としての信頼性は著しく低下する。
この汚れは、上記したように振動体の温度を上昇させることにより解決できる。よごれの分子は温度の上昇に伴って蒸発するからである。
温度の上昇は、強い光を一定時間振動板に当てるだけでよい。一部が振動板に吸収され、振動板を昇温させることができる。
以上、本実施形態によれば、このような汚れをセンサ自身でセンサを清浄に保つセルフクリーニングの機能によりクリーニングすることが可能となる。これにより振動体表面をいつも清浄な表面に保つことにより、測定信頼性を向上することができる。
雰囲気ガスを構成する分子が振動板で反射するとき、雰囲気の分子が振動体に及ぼす力は振動体の汚れによって変化する。したがって、振動板の汚れぐあいによって、真空度の測定値も変化してしまう。
汚れが時間の経過とともに悪くなっていくとすると、それにつれて測定値もドリフトしていくことになり、真空計としての信頼性は著しく低下する。
この汚れは、上記したように振動体の温度を上昇させることにより解決できる。よごれの分子は温度の上昇に伴って蒸発するからである。
温度の上昇は、強い光を一定時間振動板に当てるだけでよい。一部が振動板に吸収され、振動板を昇温させることができる。
以上、本実施形態によれば、このような汚れをセンサ自身でセンサを清浄に保つセルフクリーニングの機能によりクリーニングすることが可能となる。これにより振動体表面をいつも清浄な表面に保つことにより、測定信頼性を向上することができる。
［実施形態４］
本発明の実施形態４においては、真空度を測定する前に、光源の出力を一定に保ち、その時の振動体の変位から振動体のばね定数を計算するシーケンスを有する構成例について説明する。ここでの振動センサは実施形態２のものが用いられるので、実施形態２と重複する部分についての説明は省略する。
本発明の実施形態４においては、真空度を測定する前に、光源の出力を一定に保ち、その時の振動体の変位から振動体のばね定数を計算するシーケンスを有する構成例について説明する。ここでの振動センサは実施形態２のものが用いられるので、実施形態２と重複する部分についての説明は省略する。
振動式の真空計は真空度によって、振動体の挙動すなわち、共振周波数や減衰率が変化することを測定原理としている。もしも、ばね定数が温度などの影響によって変化すると共振周波数がずれる。この共振周波数のずれが、ばね定数の変化によるものなのか、真空度の変化によるものなのか区別できないため、結局真空計の測定値に影響してしまう。
そこで、測定前に温度などの影響によって変化するばね定数をあらかじめ測定しておくことにより、共振周波数を予測することが可能となり、その共振周波数からのずれを観測値とすることにより、ばね定数変化の影響を補正することができる。
本実施形態においては、ばね定数の測定は、光源の出力を一定、すなわち一定の力を振動体に与え、その時の振動体の変位を測定することにより、可能である。その結果、環境温度の影響などによって変化する振動体の物性値の変化に影響されない真空計を構成することができる。
また、ばね定数が温度で変化するため、ここで測定したばね定数は環境の温度の関数とも言える。従って、本実施形態によれば、環境の温度と真空度を同時に測定可能であり、従来には無い機能をもった振動センサを実現することができる。
そこで、測定前に温度などの影響によって変化するばね定数をあらかじめ測定しておくことにより、共振周波数を予測することが可能となり、その共振周波数からのずれを観測値とすることにより、ばね定数変化の影響を補正することができる。
本実施形態においては、ばね定数の測定は、光源の出力を一定、すなわち一定の力を振動体に与え、その時の振動体の変位を測定することにより、可能である。その結果、環境温度の影響などによって変化する振動体の物性値の変化に影響されない真空計を構成することができる。
また、ばね定数が温度で変化するため、ここで測定したばね定数は環境の温度の関数とも言える。従って、本実施形態によれば、環境の温度と真空度を同時に測定可能であり、従来には無い機能をもった振動センサを実現することができる。
図８に、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作を説明するフローチャートを示す。
図８において、第２の光源は変位の測定に用いるため一定の光強度で駆動し、まず、振動体の物性を測定する（３００）。
この様子を図９のタイムチャートで説明する。
第１の光源を点灯し、一定の光強度、一定の力ｆで振動板を押し、このときの振動体の変位ｈを光検出手段で測定する。
図のように、測定は力のオンオフで振動体の変位は若干振動するが、その振動が十分おさまった時間を待って行う。
振動体のばね定数はｈ／ｆで計算できる。振動体の質量をｍとするとこの振動体の固有振動周波数は次式で計算できる。
図８において、第２の光源は変位の測定に用いるため一定の光強度で駆動し、まず、振動体の物性を測定する（３００）。
この様子を図９のタイムチャートで説明する。
第１の光源を点灯し、一定の光強度、一定の力ｆで振動板を押し、このときの振動体の変位ｈを光検出手段で測定する。
図のように、測定は力のオンオフで振動体の変位は若干振動するが、その振動が十分おさまった時間を待って行う。
振動体のばね定数はｈ／ｆで計算できる。振動体の質量をｍとするとこの振動体の固有振動周波数は次式で計算できる。
つぎに、第１の光源を駆動する周波数を、上式の振動体の共振周波数を中心として、その近傍の周波数でスイープ（走査）しながら、その時の振動体の振動振幅と位相を測定する。すなわち、振動体の周波数応答解析を行う（３０１）。
この周波数応答の横軸から上式の振動体の共振周波数を差し引いておく。これにより温度などでばね定数が変わり、振動体の周波数が変化したとしても、その影響をキャンセルすることができる。
つぎのステップでは、従来技術と同様、この振動波形から真空度を計算する（３０２）。
そして、得られた真空度、すなわちチャンバー８の内部の圧力を表示する（３０３）。
本実施形態によれば、環境変化により振動体のばね定数が変わってしまってもその影響をキャンセルすることができるので、信頼性の高い真空度測定が可能となる。
この周波数応答の横軸から上式の振動体の共振周波数を差し引いておく。これにより温度などでばね定数が変わり、振動体の周波数が変化したとしても、その影響をキャンセルすることができる。
つぎのステップでは、従来技術と同様、この振動波形から真空度を計算する（３０２）。
そして、得られた真空度、すなわちチャンバー８の内部の圧力を表示する（３０３）。
本実施形態によれば、環境変化により振動体のばね定数が変わってしまってもその影響をキャンセルすることができるので、信頼性の高い真空度測定が可能となる。
［実施形態５］
本発明の実施形態５においては、真空チャンバーに、もう一つ別に真空計を設置した構成例について説明する。
油などの有機物が環境雰囲気中にあると、それが振動体に吸着し、吸着した量に従って振動体の挙動すなわち共振周波数や減衰率が変化する。真空度の変化によっても同じ効果をもたらすが、真空度を別に設けた真空計で測定することにより、真空度の変化を補正することが可能となり、振動体に吸着する成分の量を知ることができる。
本発明の実施形態５においては、真空チャンバーに、もう一つ別に真空計を設置した構成例について説明する。
油などの有機物が環境雰囲気中にあると、それが振動体に吸着し、吸着した量に従って振動体の挙動すなわち共振周波数や減衰率が変化する。真空度の変化によっても同じ効果をもたらすが、真空度を別に設けた真空計で測定することにより、真空度の変化を補正することが可能となり、振動体に吸着する成分の量を知ることができる。
図１０に、本実施形態の振動センサの構成を示す。実施形態１と重複する部分についての説明は省略する。
図１０において、２３はもう一つ別に真空チャンバーに設置された真空計である。この真空計については、実施形態１等の振動センサによる真空計でよく、また他の方式、例えばピラニー真空計や電離真空計でもかまわない。
この真空計を制御装置１６に接続する。
図１０において、２３はもう一つ別に真空チャンバーに設置された真空計である。この真空計については、実施形態１等の振動センサによる真空計でよく、また他の方式、例えばピラニー真空計や電離真空計でもかまわない。
この真空計を制御装置１６に接続する。
図１１に、本実施形態における振動センサによる測定に際しての制御動作を説明するフローチャートを示す。
図１１において、まず強い光を一定時間振動体にあて、振動体の温度を上昇させることにより、汚れ成分を蒸発させる（４００）。これは前述した実施形態３と同じである。
つぎに、真空計２３で真空度を測定する（４０１）。
つぎに、振動体の振動の挙動を測定する（４０２）。
振動体は次式で表される固有周波数を持っている。
図１１において、まず強い光を一定時間振動体にあて、振動体の温度を上昇させることにより、汚れ成分を蒸発させる（４００）。これは前述した実施形態３と同じである。
つぎに、真空計２３で真空度を測定する（４０１）。
つぎに、振動体の振動の挙動を測定する（４０２）。
振動体は次式で表される固有周波数を持っている。
ここで、ｋはばね定数で主に振動板２のばね定数を表し、ｍは振動体の質量で特に振動によって動く振動板の質量を表す。
この式は、固有周波数が振動板の質量変化によって変化することを意味している。
したがって、固有周波数を測定すれば、振動板に吸着した成分の質量を測定できる。
しかし、実際には従来技術の部分でも説明したように、環境の真空度によって固有周波数や減衰率は変化を受ける。
そのため、ここでは別に設けた真空計２３の真空度をもとに、固有周波数や減衰率の変化を予測しておき、その予測値と、実際の測定値との差をとることによって、振動板に吸着した成分の質量つまりｍを測定する（４０３）。
そして、得られた振動板に吸着した成分の質量を表示する（４０４）。
この式は、固有周波数が振動板の質量変化によって変化することを意味している。
したがって、固有周波数を測定すれば、振動板に吸着した成分の質量を測定できる。
しかし、実際には従来技術の部分でも説明したように、環境の真空度によって固有周波数や減衰率は変化を受ける。
そのため、ここでは別に設けた真空計２３の真空度をもとに、固有周波数や減衰率の変化を予測しておき、その予測値と、実際の測定値との差をとることによって、振動板に吸着した成分の質量つまりｍを測定する（４０３）。
そして、得られた振動板に吸着した成分の質量を表示する（４０４）。
振動板に吸着する成分とは、例えば油成分のような真空環境の汚れ成分が考えられる。このような真空環境の汚れを測定し、監視することはスパッタや電子顕微鏡など真空機器の性能を発揮するために重要なことである。
本実施形態では、真空度の測定を主な用途としているが、同じ作用、同じ構成を用い、振動板への吸着量を測定するという方法によって、真空環境の汚れの測定も可能となる。
本実施形態では、真空度の測定を主な用途としているが、同じ作用、同じ構成を用い、振動板への吸着量を測定するという方法によって、真空環境の汚れの測定も可能となる。
［実施形態６］
本発明の実施形態６においては、実施形態１の光学系を変更した構成例について説明する。
図１４に、本実施形態の振動センサにおける構成を示す。
本実施形態では光学系を変更した点が実施形態１と異なるだけであるから、重複する部分の説明は、適宜省略する。
１は振動体であり、振動体は、振動板２とそれを支える弾性支持部３とハウジング４から構成されており、ハウジングは光ファイバ出射端５に固定されている。光ファイバのコア６を有する光ファイバ７を光ファイバ出射端５に固定する。これらは真空チャンバー８の内部に設置され、光ファイバ７は真空チャンバーに固定して設けられたコネクタ９に接続され外部の光ファイバ１０と接続される。
光ファイバ１０のもう一方の端は光分配器２４、この場合は光ファイバカプラに接続する。この光ファイバカプラはハーフミラーの機能を持っており、２つの光を１つに混合したり、逆に１つの光を２つに分岐したりできる。
光分配器２４の一端には光ファイバ出射端２５および、光ファイバに入射させる光学レンズ２６が設けられ、また半導体レーザーなどの光源１４が設けられ、光源１４をドライバ１５に接続されている。
光分配器２４のもう一端には、光ファイバ出射端１１および、検出器１８が設けられ、アンプ１９に接続されている。このアンプ１９とドライバ１５は制御装置１６に接続され、制御装置１６が表示装置１７に接続される。
本発明の実施形態６においては、実施形態１の光学系を変更した構成例について説明する。
図１４に、本実施形態の振動センサにおける構成を示す。
本実施形態では光学系を変更した点が実施形態１と異なるだけであるから、重複する部分の説明は、適宜省略する。
１は振動体であり、振動体は、振動板２とそれを支える弾性支持部３とハウジング４から構成されており、ハウジングは光ファイバ出射端５に固定されている。光ファイバのコア６を有する光ファイバ７を光ファイバ出射端５に固定する。これらは真空チャンバー８の内部に設置され、光ファイバ７は真空チャンバーに固定して設けられたコネクタ９に接続され外部の光ファイバ１０と接続される。
光ファイバ１０のもう一方の端は光分配器２４、この場合は光ファイバカプラに接続する。この光ファイバカプラはハーフミラーの機能を持っており、２つの光を１つに混合したり、逆に１つの光を２つに分岐したりできる。
光分配器２４の一端には光ファイバ出射端２５および、光ファイバに入射させる光学レンズ２６が設けられ、また半導体レーザーなどの光源１４が設けられ、光源１４をドライバ１５に接続されている。
光分配器２４のもう一端には、光ファイバ出射端１１および、検出器１８が設けられ、アンプ１９に接続されている。このアンプ１９とドライバ１５は制御装置１６に接続され、制御装置１６が表示装置１７に接続される。
以上の構成において、光源１４から出射した光はレンズ２６の作用によって一点に集光し、そこに置かれた光ファイバ出射端２５から光ファイバに導かれる。この光が光分配器２４を通過し、コネクタ９を介して真空チャンバー内の光ファイバ７に導かれ、光ファイバ出射端５に固定された光ファイバのコア６の端面から出射される。この出射した光は振動板２にあたり、反射するので、振動板は光の放射圧の作用により光の強さに応じた力を受ける。
また、振動板で反射した光は一部が再び光ファイバのコア６に入射する。そして、コア内に入射した光は光ファイバ７、コネクタ９、光ファイバ１０と伝わり、光分配器２２を通過し、光ファイバ出射端１１から出射し、光検出器１８で電気信号に変換される。
このあとの作用は図１で説明した実施形態１と同じなので説明を省略する。
本実施の形態によれば、ほとんどの光学部品をファイバーで構成することができるので、さらに小型化を図ることが可能となる。
また、光源についてもファイバーレーザーを用いれば、レンズ２６も必要なくなり、さらに小型化ができる。ファイバーレーザーとは、ファイバーのコア部を発光層とするレーザーのことで、広く知られているものである。
また、振動板で反射した光は一部が再び光ファイバのコア６に入射する。そして、コア内に入射した光は光ファイバ７、コネクタ９、光ファイバ１０と伝わり、光分配器２２を通過し、光ファイバ出射端１１から出射し、光検出器１８で電気信号に変換される。
このあとの作用は図１で説明した実施形態１と同じなので説明を省略する。
本実施の形態によれば、ほとんどの光学部品をファイバーで構成することができるので、さらに小型化を図ることが可能となる。
また、光源についてもファイバーレーザーを用いれば、レンズ２６も必要なくなり、さらに小型化ができる。ファイバーレーザーとは、ファイバーのコア部を発光層とするレーザーのことで、広く知られているものである。
１：振動体
２：振動板
３：弾性支持部
４：ハウジング
５：光ファイバ出射端
６：光ファイバのコア
７：光ファイバ
８：真空チャンバー
９：コネクタ
１０：光ファイバ
１１：光ファイバ出射端
１２：レンズ
１３：光分配器（ビームスプリッタ）
１４：光源
１５：ドライバ
１６：制御装置
１７：表示装置
１８：光検出器
１９：アンプ
２：振動板
３：弾性支持部
４：ハウジング
５：光ファイバ出射端
６：光ファイバのコア
７：光ファイバ
８：真空チャンバー
９：コネクタ
１０：光ファイバ
１１：光ファイバ出射端
１２：レンズ
１３：光分配器（ビームスプリッタ）
１４：光源
１５：ドライバ
１６：制御装置
１７：表示装置
１８：光検出器
１９：アンプ
Claims (10)
- 振動センサであって、
光ファイバと、前記光ファイバの一方の端部側に、振動振幅の方向が該光ファイバの光軸と一致するように設けられた振動体と、
前記光ファイバの他方の端部側に配された、光源と、該光源からの光を制御する光源制御装置と、該光ファイバからの出射光を検出する光検出手段と、を有し、
前記光源からの光を前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振すると共に、前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出し、
前記振動体の加振による変位を測定可能としたことを特徴とする振動センサ。 - 前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振するために用いられる光源と、前記振動体で反射された光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出するために用いられる光源が、同一の光源であることを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
- 前記光源制御装置で強度変調して前記振動体を加振するために用いられる光源と、前記振動体で反射された光源からの光を前記光ファイバの他方の端部側から出射させて前記光検出手段によって検出するために用いられる光源が、異なる光源であることを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
- 前記加振に用いられる光源と前記検出に用いられる光源とが異なる波長の光源からなり、これら光源と前記光ファイバの他方の端部側との間の光路中に特定波長の光を反射する光混合器を有し、
前記光源制御装置が前記加振に用いられる光源の強度を変調する一方、前記検出に用いられる光源の強度を一定に保つように構成され、
前記加振に用いられる光源からの前記光源制御装置で強度変調された光を前記光混合器を介して前記振動体に導いて該振動体を加振すると共に、前記振動体で反射され前記光ファイバの他方の端部側から出射された前記検出に用いられる光源からの光を前記光混合器を介して前記光検出手段に導いて該光検出手段により検出することを特徴とする請求項３に記載の振動センサ。 - 前記光ファイバにおける前記他方の端部に到るまでの光路中に、前記光源からの光を通過させ前記振動体に導く一方、前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光検出手段に導く光分配器を有し、
前記光源からの前記光源制御装置で強度変調された光を前記光分配器を介して前記振動体に導いて該振動体を加振すると共に、前記振動体で反射された前記光源からの光を前記光分配器を介して前記光検出手段に導いて該光検出手段により検出することを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。 - 前記振動体は、弾性支持部材によって支持された振動板を備え、該弾性支持部材がねじりばね又はコイルばねで構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動センサ。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動センサを備え、前記振動体の加振による変位の測定結果に基づいて真空度を測定するように構成されていることを特徴とする真空計。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動センサを用いた測定方法であって、前記振動体の加振による変位を測定する前に、光源の出力を大きくして前記振動体の温度を上昇させることによって該振動体をクリーニングして前記変位を測定することを特徴とする測定方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動センサを用いた測定方法であって、前記振動体の加振による変位を測定する前に、光源の出力を一定に保ってその際における振動体の変位から該振動体の物性を測定する過程を有することを特徴とする測定方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動センサと、さらに別の真空計とを用い振動体の吸着する成分の量を測定する測定方法であって、
前記真空計で測定した真空度と、前記振動体の加振に対する変位とに基づいて、前記振動体を設置した環境において振動体に吸着した成分の量を測定することを特徴とする測定方法。
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| CN101963786A (zh) * | 2010-08-06 | 2011-02-02 | 南京航空航天大学 | 基于光致伸缩驱动器的振动无线主动控制装置及方法 |
| CN102288361A (zh) * | 2011-05-13 | 2011-12-21 | 华南理工大学 | 一种光纤真空度传感器 |
| JP2017512312A (ja) * | 2014-02-17 | 2017-05-18 | ウニヴァジテート バーゼル | 生物学的システムの質量および／または機械的特性を決定するための測定デバイスおよび方法 |
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| JPH06102115A (ja) * | 1992-09-22 | 1994-04-15 | Yokogawa Electric Corp | 振動式圧力計 |
| JPH06167451A (ja) * | 1992-11-30 | 1994-06-14 | Mitsubishi Electric Corp | ガス検出センサ |
| JPH08145831A (ja) * | 1994-11-15 | 1996-06-07 | Fuji Electric Co Ltd | 光振動子センサ |
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